增材制造零件適航審定路徑分析及啟示

孫詩譽 栗曉飛

摘要：隨著增材制造這一新興技術的不斷發展成熟，國外適航當局已陸續發布多個文件來指導增材制造零件快速通過適航審查，為飛機結構技術的跨越性發展提供新動能。通過分析美國聯邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）發布的指導性文件，以及國外大型飛機制造公司對增材制造零件適航審定的經驗和考慮，分析得出了在材料設計值、設計、材料與制造、后處理、檢測、工藝驗證等增材制造全流程適航審定的考慮因素，為飛機用增材制造零件適航取證過程提供參考和借鑒。

關鍵詞：增材制造；適航審定；鑒定；標準；無損檢測

中圖分類號：V260文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.007

近年來，增材制造（AM）以其低成本、輕量化、高設計自由度，以及能夠突破傳統技術無法實現的功能結構一體化、大型復雜結構、材料梯度結構等優勢[1-6]，已越來越多應用于飛機零部件中。2015年，通用電氣（GE）公司采用增材制造技術研發的GE90-40B發動機采用高壓壓氣機溫度傳感器（T25）外殼順利通過適航審定，成為首個FAA認證的增材制造發動機零件。次年，GE公司生產的LEAP航空發動機燃油噴嘴也順利通過適航審定。2017年，波音通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術，將增材制造鈦合金結構件應用于波音787夢想飛機上并通過適航審定，成為國際上首個得到美國聯邦航空局（FAA）認證的增材制造鈦合金結構件。

截至目前，國外已有多家公司生產的增材制造零件獲得FAA和歐洲航空安全局（EASA）的適航認證，在適航方面積累了大量實踐經驗。而國內增材制造零件雖已陸續裝機驗證，但由于缺乏明確的適航審定路徑和技術要素等要求，適航審定工作步履維艱，尚未獲得適航認證。

本文將系統梳理國外適航當局和先進航空制造公司對增材制造零件適航審定的經驗和考慮，深入分析增材制造零件適航審定路徑和技術要素，為國內飛機增材制造零件順利通過適航審定工作提供參考和借鑒。

1國外適航當局在增材制造零件適航認證方面的思路

近年來，隨著增材制造技術不斷發展成熟以及飛機零部件向著大型復雜化、結構功能一體化、快速迭代研發和低成本制造的趨勢發展[7-10]，FAA與EASA也將更多目光聚焦于如何促進增材制造零件的鑒定和認證工作。自2015年開始，FAA和EASA陸續發布多項增材制造備忘錄和指導文件，以促進增材制造零件快速通過適航審定，加速增材制造在航空領域的應用進程。

1.1 FAA

隨著增材制造在航空領域應用優勢與潛力的展現，如何對增材制造這一新興技術開展適航審查與認證工作受到了FAA的廣泛關注，FAA自2015年起陸續發布多個指導性文件，以推動增材制造的適航審定工作。

2015年6月3日，FAA發布了AIR100-15-130-GM39《增材制造認知》備忘錄[11]，提出由設計、制造和適航部門（AIR-100）組建增材制造國家隊（AMNT），并收集AM應用等相關信息，作為AM認證研究的技術資源。其主要信息包括零件類型、零件關鍵程度、AM制造方法以及委任工程代表（DER）是否參加研發和鑒定過程，并明確DER所參考的適航法規內容。這些信息將有助于AMNT識別關鍵技術問題，并研發促進AM零件獲得FAA認證的指導文件。

2016年7月7日，FAA發布了AIR100-16-130-GM18《粉末床熔融（PBF）增材制造零件的工程考慮》備忘錄[12]，該備忘錄不提供AM零件認證的指導，而是從零件設計、原材料、成形過程、后處理、檢測方法、工藝驗證、材料設計值以及其他方面（包括技術文件、電子文檔、過程控制、成形中斷、異質污染物控制、可追溯性等）提出的被審查方應該回答適航當局的問題，為后續的適航審定與認證工作奠定基礎。目前，該文件已作為FAA和EASA在進行增材制造零件適航審定的重要依據，包括C919的AM零件在適航取證過程中需要嚴格回答該文件的所有問題。

2016年9月30日，FAA發布了AIR100-16-110-GM26《增材制造設施和過程評估》備忘錄[13]，旨在幫助航空安全監察員（ASI）對AM設施及過程進行評估，協助ASI采集關鍵工藝參數，并從人員培訓、場地設施、技術數據、原材料處理、設備、軟件控制、制造過程有效性、制造過程監控、檢測、冶金過程等方面進行全流程過程審核，積累數據、更新迭代，進行新的認證活動。隨著增材制造工藝與流程的成熟及行業標準化的完善，增材制造國家隊（AMNT）預計會對該文件進行頻繁修訂。

2016年11月30日，FAA發布了NOTICE 8900.391《增材制造用于飛機、發動機、螺旋槳的維修、預防性維護及更換》[14]，主要為飛行標準服務司（AFS）人員參與采用增材制造技術進行飛機、發動機及旋翼類飛行器的維修、預防性維修及更換時提供認證與監督的指導。同時，FAA管理、運營及行政人員也可以參考這份文件進行相關工作。該文件的實施有效期為一年，并于2017年11月30日停止使用。

2018年，FAA發布了咨詢通告AC 33.15-4《粉末床熔融增材制造成形渦輪發動機零件及修復指南》的征求意見稿[15]。AC 33.15-4是FAA向所有飛機型號申請人給出的一種適航符合性驗證方法（非強制實行），用于證明通過粉末床熔融AM成形或維修的渦輪發動機零件與聯邦法規14CFR§33.15的符合性，并對AM相關設計與制造等方面提供了指導。按此方法驗證，FAA直接認可，原則上CAAC/ EASA也是認可的。雖然這份文件不是FAA最終發布的文件，但對于如何保證增材制造產品質量仍具有重要的參考價值與意義。

從AIR100-16-130-GM18和AC 33.15-4文件來看，兩份文件所考慮的內容幾乎相同，AC 33.15-4更接近于一份指導性文件，提供增材制造零件適航符合性驗證的指導原則；而AIR100-16-130-GM18是指導被審查方在接受適航審查時應該具體回答適航當局的問題以及在實際操作中如何證明零件的符合性。因此，被審查方應該重點對這兩份文件進行研究分析，以應對國外適航審定工作。

1.2 EASA

由于FAA和EASA原則上互認，EASA在增材制造零件適航審定方面發布的指導性文件較少，大多采用FAA發布的相關文件。截至目前，EASA僅發布CM-S-008《增材制造認證備忘錄》一份文件。

2017年4月，EASA發布了CM-S-008《增材制造認證備忘錄》（第1期）[16]指導性文件，旨在為飛機、旋翼航空器的零部件引入和使用增材制造技術時提供補充指導，以促進增材制造零件順利通過EASA適航審查。

2020年11月，EASA對CM-S-008進行修訂并發布《增材制造認證備忘錄》（第2期），并向大眾廣泛征求意見。該版本著重強調了針對AM特點的CS材料要求（CS2x.603、CS2x.605和CS2x.613針對AM的特殊考慮）并引入美國航空航天工業協會（AIAA）發布的《AM零部件認證推薦指南》文件核心內容（包括研發過程、供應鏈鑒定、材料性能研發、零件設計/鑒定過程和質量控制）。

2021年4月，在廣泛征求意見后，EASA正式發布CM-S-008《增材制造認證備忘錄》（第三期）指導文件，該文件提出的AM適航理念主要包括以下內容：（1）由于材料和工藝變異性對AM零件影響較大，因此必須識別所有與材料和工藝相關的缺陷類型。同時，用于確定材料適用性和耐久性的經驗和/或試驗必須基于與預期應用場景相適應的具有代表性的、穩定的材料和工藝組合。（2）所有關鍵的檢測（如無損檢測）和/或工藝控制步驟都應通過鑒定和驗證，特別是由于制造過程導致的固有特征和缺陷的檢測。另外，增材制造設備需要嚴格進行控制和鑒定。（3）材料設計值的研發可參照復合材料的積木式驗證方法，但采用的測試類型和試樣數量可根據具體情況進行調整。（4）對于非關重件，申請人應提供一組最小樣本試驗數據，表明材料性能始終滿足或超過應用要求，如在拉伸、剪切和壓縮方面，以證明飛機安全性不會受到影響。

2國外大型公司增材制造零件適航審定現狀

依據傳統適航經驗及FAA和EASA發布的指導文件，波音和空客兩大飛機制造巨頭公司已先后將多個增材制造零部件裝機驗證并通過適航認證，在增材制造適航取證中積累了大量先進經驗。因此，本節將對波音和空客在增材制造零件適航審定上的思路和經驗進行分析，為國內大飛機用增材制造零件在未來適航取證過程提供參考。

2.1波音公司

作為在增材制造領域發揮主導作用的飛機制造商，波音公司在增材制造領域進行了20余年的實踐和探索[17-18]，從2001年開始，先后將百余個增材制造零件應用于航空航天飛行器中，奠定了自身在該領域的領先地位，其公司產品應用情況如圖1所示。

2001年，在美軍當時最神秘的太空飛行器X-37A上首次用上了激光增材制造零件；2003年，波音通過美國空軍研究實驗室將增材制造金屬零件用于F-15戰斗機框梁類備件中，并在8架飛機上進行驗證；2004年，波音采用增材制造鈦合金替換件用于大型運輸機C17的框梁類零件上；2011年，波音將增材制造零件成功應用于“朱諾”太空探測器；2016年，波音公司將增材制造接收天線展開執行器支撐架成功應用于衛星上；2017年，波音通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術，將增材制造鈦合金結構件應用于787夢想飛機上，并通過適航審查，這也是國際上首個FAA認證的增材制造鈦合金結構件；2019年，波音公司制造出首個增材制造金屬衛星天線，并隨AMOS-17衛星進入太空，提供通信服務。

源于20余年的實踐和積累，波音公司在增材制造適航審查的考慮方面擁有豐富的實操經驗。在增材制造零件適航審查中，波音主要針對航天器、軍機和民機進行適航認證。在航天器適航中，主要參考航天器材料和工藝要求標準（NASA-STD-6016、NASA-STD-030、NASA-STD-6033、MSFC-STD-3716、MSFC-SPEC-3717等文件）；在軍機適航中，主要參考飛機結構完整性大綱（MIL-STD-1530D），用于部署新材料或替代材料、工藝和產品形式的適航流程（AWB-1015），DoD適航認證準則（MIL-HDBK-516C），DoD聯合服務規范指南（JSSG-2006）等文件；在民機審查中，波音主要參考的是25部和33部適航法規相關條款。

在民用飛機用增材制造零件適航審定過程中，波音主要從以下5個方面進行考慮，并向局方提供證明：（1）需求和設計準則：依據關重件和非關重件，對零件進行設計，證明零件設計符合設計要求；（2）材料和工藝規范：制定嚴格的材料和工藝規范，保證原材料、工藝、設備、后處理等流程完全受控，可穩定一致地生產出零件產品；（3）材料表征和設計值：依據關重件和非關重件，按照FAA批準的BCA程序和統計方法開發設計值；同時關注25.619條款，通過材料測試方法、過程控制方法、檢驗方法和組批驗收規則來研發或證明不需要特殊安全系數；（4）驗證試驗：說明采用哪些驗證試驗證明最終零件性能符合設計要求；（5）無損檢測：說明采用哪些無損檢測方法來證明零件中不存在有害缺陷。

2.2空客公司

空客公司對增材制造的研究和實踐已有20余年[19]，從最早的聚合物應用到后來的激光粉末床熔融和電子束選區熔化在金屬方面的應用。2013年，空客與Stratasys合作研發聚合物增材制造零件，并實現了A350 XWB單機超過500件的裝機，這些零件覆蓋了多個機載系統的導管、線箍、封罩等多種結構。2015年，空客將增材制造鈦合金短艙鉸鏈支架安裝于A350 XWB飛機上，成為A350 XWB上首個采用增材制造技術制造的鈦合金零部件。2017年3月，空客聯合德國利勃海爾、開姆尼茨工業大學等機構研發的增材制造飛機擾流板液壓歧管裝載在A380飛機并試飛成功。

目前，空客在增材制造零件適航審查時主要的參考文件包括CS 25條款（CS 25.603、605、613、619等）、EASA CM-S-008文件以及空客內部標準規范（材料、工藝、零件規范等）。空客在增材制造零件適航審查過程中主要的考慮因素主要包括：（1）增材制造零件將根據25.1301（功能和安裝）和25.1309（設備、系統及安裝）核心認證要求進行評估；（2）適航符合性通過設計和性能聲明（DDP）來驗證；（3）材料和工藝認證將依據CS25.603、605、613、619等法規進行審定，空客在此部分將先對供應商進行審核，并將相關材料提交局方。

3增材制造零件適航審定路徑的要素分析

根據國外適航當局發布的指導性文件及國外大型飛機制造公司的適航經驗分析，為達到穩定、可重復性生產所需的控制水平，推動增材制造零件順利通過適航審定，必須從材料設計值、設計、材料與制造、后處理、檢測、工藝驗證等全流程進行控制和審查。

3.1材料設計值

在建立材料設計值方面，首先應建立規范的測試程序，基本原則是用于測試的試樣能夠代表多個成形批次、多個成形位置、多個成形方向以及多個原材料批次；其次，應充分驗證工藝窗口（包括原材料成分、熱源參數、保護氣純度、熱源性能和粉末再利用等工藝變化范圍）以及確保試樣能夠準確反映成形零件的實際情況（如各向異性、孔隙率、熔合不良、表面粗糙度等情況）；推薦采用類似于復合材料的積木式驗證方法（見圖2），通過試樣級、細節件級、構件級等多層級驗證方法來建立可靠的設計值；在建立實際零件設計許用值方面，要充分考慮增材制造材料的各向異性、最低基準材料設計值的建立原則（零件表面必須完成所有機加工操作）、熱暴露折減值的建立（考慮航空器運行工況）和零件特性折減值的建立（考慮零件結構特征）等方面，最終建立設計許用值。

3.2零件設計

對于增材制造這一與設計相關的制造技術而言，從適航當局的角度來說，零件設計將直接決定最終零件的質量水平，因此零件設計的鑒定將作為適航審查的開始。在零件設計方面，適航當局目前主要從零件取向、尺寸控制、表面質量、支撐結構和粉末去除等方面進行審查：（1）零件取向：應充分考慮零件取向對材料各向異性和殘余應力的影響[20]，并盡量減少支撐結構和懸垂結構的數量；（2）尺寸控制：應考慮工藝及裝備的成形能力（如可實現的最大/最小壁厚和圓角半徑）、殘余應力、熱處理及熱等靜壓等產生的翹曲行為，以控制零件產品的尺寸偏差；（3）表面質量：應考慮表面粗糙度、特殊結構表面特征（如懸垂、無支撐和自支撐結構等典型表面特征）及內表面處理等因素對于零件力學性能的影響。同時，還需考慮零件設計是否影響零件內表面防護涂層的涂覆；（4）支撐結構：應合理考慮內部支撐結構無法去除以及去除支撐結構引起的應力集中而最終導致的零件力學性能下降等問題；（5）粉末去除：在成形具有復雜內部特征零件時，粉末會殘留在零件內部結構中。應建立有效的粉末去除方案，并開展功能試驗，以驗證其不會對零件預期功能產生影響。同時，保證粉末完全去除后，再進行熱處理操作，防止殘留粉末燒結到零件內表面上。

3.3材料與制造

由于原材料特性、工藝參數和相關操作變化對AM零件力學性能影響較大，為符合FAR-25.603/CS-25.603要求，申請者應證明當采用批準的規范時，所選擇的制造方法能夠持續生產出符合型號設計的零件。所有材料和制造過程應通過具有統計學意義的最小樣本量的測試和試驗來鑒定，證明其可重復性和可靠性。在材料與制造方面，適航當局目前主要從原材料規范、原材料再利用、工藝規范和零件材料規范4個方面進行審查：（1）原材料規范，由于原材料的控制對成形過程至關重要，原材料規范應至少包括化學成分、形貌、粒徑分布、清潔度和流動性等影響零件質量的關鍵技術要素，同時需明確原材料性能測試方法和驗收要求；另外，為保證可追溯性，應明確批次定義和組批規則；（2）原材料再利用，應建立相關標準規范加以控制，申請者應明確說明再利用粉末的混合方式和混合比例，并證明再利用粉末仍然滿足原材料規范要求以及通過再利用粉末生產的最終零件性能仍然符合設計要求[21-23]；（3）工藝規范，申請者應首先對影響最終零件性能的關鍵工藝參數進行研發并確定其公差值，以便在工藝規范中進行固化，建立PCD文件。當關鍵工藝參數發生變化時，應重新進行工藝鑒定，方可進行后續生產；（4）零件材料規范，應確保在規定工藝窗口內的強度和其他性能滿足設計要求，材料規范應至少包括化學成分、力學性能、顯微組織、孔隙率、表面粗糙度、后處理（包含熱處理）、質量保證規定和測試證書等內容。

3.4后處理

在毛坯后處理方面[24-27]，應規范并說明后處理工藝、程序及順序，包括殘余粉末去除方法、殘余應力去除方法、切除基板取件方法、支撐去除方法、熱處理制度、熱等靜壓工藝參數、表面精加工和防護涂層涂覆方法的程序、順序以及相關處理對最終零件的顯微組織、材料性能和尺寸精度的潛在影響。在后處理方面，尤其需要答復適航當局的關鍵問題，如去除殘余粉末的方法及如何確認全部粉末已被清理干凈。

3.5檢驗方法

由于增材制造是逐層沉積的過程，會產生在成形方向上不具有顯著高度的缺陷[24，28-29]（如沿成形面形成的、僅有1～2層厚的熔合不良等平面缺陷）。此外，成形態表面粗糙，可能會掩蓋表面缺陷，難以檢測。常規無損檢測方法（如X射線、熒光、超聲、渦流）是適用于AM零件檢驗的，但可能需要以新的或組合的檢驗方式來檢測AM過程產生的缺陷[30]。因此，在檢測AM零件時，應明確零件材料固有缺陷及缺陷閾值標準，確定檢測時機，選擇合適的檢測方法與標準，保證表面狀態符合無損檢測要求并通過超聲、CT等方法[31-32]應對復雜幾何形狀及內部特征的檢測。目前，CT是唯一被批準用于檢查無法直接訪問的內部特征的檢查方法，但需要考慮其成本、時間、能力等。同時，當CT不能滿足檢測內部特征所需的分辨率和精度時，必須與其他傳統的零件檢測方法相結合，如統計過程控制和定期破壞性評估。

3.6過程驗證

為保證穩定、可再現地生產出符合設計要求的尺寸、性能及質量的零件，必須對AM過程進行控制和驗證。過程驗證方法包括但不限于首件檢驗、破壞性評估、無損檢測評估、冶金檢驗以及化學和力學性能試驗，以驗證生產的零部件始終滿足設計要求。過程驗證類型主要分為固化工藝鑒定、設備（包括多設備）鑒定以及關鍵工藝變更鑒定。需要重點關注的是，當關鍵工藝參數發生變更時，必須提供可靠的試驗數據及依據進行自證。

4結論

本文通過分析國外適航當局增材制造適航審定指導文件，結合國外飛機制造公司增材制造零件適航經驗，對材料設計值、設計、材料與制造、后處理、檢測、工藝驗證等適航審定路徑中的技術要素進行了深入分析，為國內大飛機增材制造零件適航審定工作提供支持。針對增材制造零件適航審定路徑提出以下幾點建議。

（1）AM材料工藝研發。為保障整個AM生產過程穩定可控，應開展全面可靠的AM材料工藝研發工作，確定工藝窗口，并建立全流程的標準化規范文件，保證設備經過校準并定期維護、操作人員經過培訓并持證上崗、冶金過程及生產過程經過嚴格控制和鑒定認證，最終實現零件產品質量的一致性。

（2）建立完整可信的材料性能數據集。應建立標準化材料性能研發方法，考慮環境敏感性，以獲取材料設計許用值。建議采用積木式驗證方法，通過試樣級、細節件級、構件級等多層級進行驗證，保證最終零件性能的可靠性。依據適航條款25部要求，進行材料和工藝的鑒定認證，保證研制生產過程的可重復性和質量一致性，最終建立完整可信的材料性能數據集。

（3）實施統計過程控制（SPC），保證生產過程穩定并受控。根據統計過程控制，確定過程的控制上下限和異常點，以對生產過程進行評估和監控。同時，結合統計過程控制結果和材料性能檢測結果，對過程能力進行綜合評估和改進，優化生產過程，并保證全過程穩定且受控。

（4）零件鑒定評估。建立增材制造材料和零件的標準化測試方法以及符合增材制造特征的無損檢測方法，對零件性能進行完整合理的評估和鑒定。針對復雜內部結構，CT是目前唯一被批準用于檢查無法直接訪問的內部特征的檢查方法，但必須結合其他檢測方法或研發相關對比標樣來驗證CT檢測結果的可信性。同時，由于增材制造零件材料特性與傳統鍛鑄件有著明顯不同，需加深對材料和零件失效模式的研究，以更好地對零件鑒定評估做出合理的判斷。

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Analysis and Inspiration of Airworthiness Certification Path for Additive Manufacturing Parts

Sun Shiyu，Li Xiaofei

AVIC China Aero-polytechnology Establishment，Beijing 100028，China

Abstract： With the continuous development and maturity of additive manufacturing which is regarded as an emerging technology， foreign airworthiness authorities have successively issued multiple documents to guide additive manufacturing parts to quickly obtain airworthiness certification， providing new momentum for the leap-forward development of aircraft structure technology. By analyzing the guidance documents issued by Federal Aviation Administration （FAA） and the European Aviation Safety Agency （EASA）， as well as the experience and considerations of large aircraft manufacturing companies in the airworthiness certification of additive manufacturing parts，the analysis has drawn the material design value， design， materials and fabrication， post-processing， inspection， process validation and other considerations for the airworthiness certification of the entire additive manufacturing process， which provides references for aircraft additive manufacturing parts in the process of airworthiness certification.

Key Words： additive manufacturing； airworthiness certification； qualification； standard； nondestructive detection