民用飛機增材制造技術應用發展趨勢

司瑞，陳勇

1.中國商用飛機有限責任公司 北京民用飛機技術研究中心，北京 102211

2.中國商用飛機有限責任公司，上海 200436

增材制造是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，體現了信息網絡技術與先進材料技術、數字制造技術的深度結合，深刻影響著傳統工藝流程、生產線、工廠模式和產業鏈組合，是高端制造業的重要組成部分，已成為世界各國積極布局的未來產業發展新增長點。近年來，中國高度重視增材制造產業發展，將其作為“中國制造2025”戰略的發展重點。增材制造產業正從起步階段向高速成長階段邁進，研究增材制造產業的發展現狀、趨勢及存在的問題，把握產業發展方向，對推動增材制造產業健康有序發展意義重大［1］。

隨著民用飛機的大型化發展，結構越來越復雜，承受的載荷也越來越大，同時對經濟性和環保性的要求也不斷提高。在保證安全性的前提下，如何減輕結構重量一直是飛機設計人員關鍵的研究目標。增材制造技術能夠實現復雜精密零件的近凈成形，與優化設計技術相結合，為民用航空工業實現結構輕量化、快速設計驗證、小批量零部件快速制造及快速客戶響應等關鍵技術應用帶來了一種全新思路，是一種具有革命性意義的新興技術。面向未來開展增材制造技術應用研究，對推進增材制造件在民航現有型號的批量裝機應用、實現降本增效、支持未來民用飛機設計變革都具有重要的現實意義。

1 增材制造技術現代發展歷程

隨著材料、工藝和裝備的日趨成熟，高端制造業應用需求逐漸加大，新型增材制造的工藝、材料被不斷提出，主流技術有激光選區燒結、熔融沉積制造、疊層實體制造、激光選區熔化、電子束選區熔化等。2003—2015 年，激光選區熔化、電子束選區熔化、激光近凈成形等技術與裝備相繼出現，其適用的原材料及結合機制如表1 所示。增材制造的應用范圍進入產品快速制造階段，在航空航天等高端制造領域得到了規模化應用。增材制造在民用航空領域的應用集中在鈦合金、鋁合金、超高強度鋼、高溫合金及非金屬等材料的零部件制造方面，采用的工藝主要為粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）、材料擠出（FDM）。

表1 不同增材制造工藝的原材料和結合機制Table 1 Raw materials and bonding mechanisms for different additive manufacturing processes

中國關于增材制造技術的研究始于1991 年，在中華人民共和國科學技術部等部委的指導支持下，西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司等在成形設備、制造工藝等方面的研究和工程化應用取得了突破性成果。隨著技術不斷發展和推廣，中國越來越多的高校和科研機構開展了相關研究，西北工業大學、北京航空航天大學、北京理工大學、南京航空航天大學、上海聯泰科技公司等單位在增材制造設備及配套軟件研發、材料研究和產業化發展方面都做出了很多探索性研究和應用工作，取得重大進展。

進入21 世紀，中國基本實現了工業設備產業化，縮小甚至某些程度上超越了國外產品水平，填補了增材制造領域眾多方向的技術空白，不僅徹底擺脫了早期依賴國外進口的局面，現今國產增材制造裝備已經暢銷全球四十多個國家和地區。然而中國在增材制造裝備關鍵器件（如激光器振鏡系統）、高性能成形材料（如超高溫鎳基合金粉材）、成形過程的智能化控制、增材制造全流程的仿真模擬及產品應用范圍等方面依舊落后于國外先進水平，在高性能終端零部件的直接制造和“形性控制”方面仍有非常大的提升空間［2］。由于部分裝備的核心元器件對國外進口的依賴，成形過程的質量在線監控和缺陷智能診斷技術也不夠成熟完善。

增材制造工藝方面，相對國外“基于理論基礎的工藝控制”，中國更多是依靠經驗、重復循環的試驗驗證，以至于中國增材制造工藝在關鍵技術上整體落后于國外先進水平。材料的基礎研究、制備工藝和產業化等方面較國外也存在相當大的差距。技術應用方面，國外增材制造技術在高端制造業領域得到了廣泛應用，特別是在航空航天領域的應用率已達12%之多，而中國相對偏低，與規模化發展還存在技術上諸多瓶頸。上述問題也成為中國增材制造技術在民用飛機應用和創新發展道路上亟待突破的重點和關鍵。

2 增材制造技術優勢及應用現狀

增材制造技術與傳統減材、等材制造工藝相比具有設計自由度高、制造周期短、材料利用率高、一體化成形等優勢，同時增材制造零件也呈現出良好的綜合力學性能，目前增材制造技術在航空制造及維修領域已經得到了廣泛的應用。

2.1 增材制造技術應用優勢

2.1.1 設計自由度高，實現輕量化結構制造

增材制造技術能夠成形傳統制造方法無法加工或難以加工的具有非常規結構特征的零件，使設計可突破傳統制造的限制和約束，獲得更大的自由度［3］。設計師可從功能需求的角度出發設計零件，采用仿生結構設計、胞元結構設計及拓撲優化結構設計等創新設計方法對零件進行優化［4］，使零件的應力呈現出更合理化的分布，通過增材制造工藝實現復雜輕量化結構制造。航空零件輕量化能減少飛行器燃料消耗，改善續航能力和機動性，提高經濟效益和環保效益。

2.1.2 制造周期短，材料利用率高

增材制造技術可直接實現從零件數字模型到復雜結構件的近凈成形，無需鑄錠冶金、鍛坯制備和鍛造模具制造，可縮短航空零件制造流程和周期，與傳統減材制造相比加工量大大減少，提高了材料利用率。

2.1.3 非平衡凝固組織，可實現良好的綜合力學性能

增材制造以金屬粉末或絲材為原料，通過高能熱源原位冶金熔化和快速凝固逐層堆積，可得到晶粒細小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，具有良好的綜合力學性能［5］，與航空零件高性能要求相匹配。

2.1.4 結構功能一體化成形，提高可靠性

基于航空高性能、高可靠性要求，越來越多的零件采用整體結構。設計師可重新設計零件，充分發揮增材制造優勢實現結構功能一體化成形［6］，同時減少緊固件安裝、裝配及焊接等工序，提高可靠性、縮短生產周期。

2.1.5 實現零件快速研制，加快設計迭代

新研機型在初始設計階段需進行多輪優化迭代，采用傳統鍛造與機械加工的制造方式制造周期長且需要花費高昂的模具費用。增材制造技術無需投產工裝模具，能實現零件的快速響應制造，可滿足航空零件快速研制需求，加快設計迭代進程［7］。

2.1.6 維修維護及航材支援

航空高附加值零件在加工時可能因銑刀掉刀等原因造成加工缺陷，在服役過程中也會受到磨損和腐蝕等損傷。隨著航空零件不斷向大型化、整體化發展，如零件在加工和服役過程中受到損傷導致零件報廢，更換受損零件將投入大量成本。采用增材制造技術結合逆向建模可對受損零件進行修復，快速恢復其尺寸與性能；增材制造技術也可快速生產航材備件，不但可減少運輸周轉時間、快速恢復運行，還能有效降低備件的庫存量，從而節省倉儲成本［8-9］。

2.2 航空增材制造技術應用實踐

增材制造技術因具有制造周期短、材料利用率高、可成形復雜輕量化一體化結構等優勢，在國內外航空航天領域得到了迅速發展。

增材制造技術在軍用飛機領域已獲得多個型號的裝機應用。2000 年，美國AeroMet 公司采用激光定向能量沉積技術制造的鈦合金零件在F-22 和F/A-l8E/F 飛機上獲得應用。2001 年以來，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin 和Boeing 公司開展了大型航空鈦合金零件的電子束熔絲沉積（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）研究。2013 年，美國Sciaky 公司采用EBF3技術及與鍛件結合的組合制造技術為Lockheed Martin 公司制造了垂尾、襟翼副梁等零件，如圖1［10］所示，成本降低30%以上，F-35 飛機裝配Sciaky 生產的EBF3鈦合金零件并試飛成功。北京航空航天大學王華明團隊突破了飛機鈦合金大型主承力構件激光熔化沉積增材制造的關鍵工藝技術，如圖2［11］所示，實現了大型復雜飛機鈦合金加強框及超高強度鋼起落架等主承力關鍵構件的裝機應用［11］。中國航空制造技術研究院對EBF3技術進行了深入研究，并于2012年將采用EBF3技術制造的鈦合金結構件實現裝機應用，如圖3［10］所示。

圖1 Sciaky 制造的EBF3鈦合金零件［10］Fig.1 Titanium alloy part manufactured via EBF3 by Sciaky［10］

圖2 北京航空航天大學增材制造大型關鍵主承力構件［11］Fig.2 Additive manufacturing of large-scale key main load-bearing component by Beihang University［11］

圖3 中國航空制造技術研究院制造的典型結構鈦合金零件［10］Fig.3 Titanium alloy part with typical structures manufactured by AVIC Manufacturing Technology Institute［10］

由于民用飛機適航審定的嚴格要求，增材制造在民機領域上應用相較于軍機領域面臨更大的挑戰。目前增材制造技術在民機領域的主要應用集中在發動機和機體結構。

2015 年，GE 公司采用激光選區熔化技術制造高壓壓氣機T25 溫度傳感器外殼并通過適航審定，成為首個通過FAA 認證的增材制造發動機零件（如圖4（a）［12］所示），應用于GE90-40B 發動機。2016 年，GE 公司生產了航空發動機燃油噴嘴（如圖4（b）［12］所示）并通過FAA 認證，應用于Leap X 航空發動機，將原來20 余個零件一體化成形，使發動機噴油嘴的設計制造理念發展變革，極大縮短零件生產周期，生產成本降低了50%，同時耐用性提高5 倍。GE 公司制造了發動機電動開門系統（PDOS）支 架（如 圖4（c）［13］所示），與傳統減材制造方法相比材料利用率提高90%，零件減重10%，該零件于2018 年通過FAA認證，應用在GEnx-2B 發動機。

圖4 GE 公司增材制造零件Fig.4 Additive manufacturing parts by GE

2013 年，空客與Stratasys 合作開發了聚合物增材制造零件，在每架A350 XWB 中使用超過500 件，包括機載系統的導管、線箍、封罩等多種結構。2015 年，Airbus 公司通過激光選區熔化技術實現了用于A320 客艙和廚房之間隔板零件的仿生設計與制造，如圖5［14］所示，使用的材料是APWORKS 開發的Scalmalloy 新型高強鋁合金，零件減重45%［14］。2017 年，空客A350 XWB 安裝了激光選區熔化技術制造的Ti6Al4V 鈦合金拓撲優化飛機連接架，如圖6［14］所示，相比于傳統加工方式減重約30%，這是鈦合金增材制造第一次在民機型號上實現裝機應用。2022 年，Premium Aerotec 公司通過激光選區熔化技術為空客A320 飛機制造了鈦合金制動管，與傳統工藝相比零件減重50%以上。2022 年，漢莎航空技術公司與Premium Aerotec 公司合作完成了用于IAE-V2500 發動機防結冰系統的“A-Link”鈦合金激光選區熔化增材制造零件，并獲得歐洲航空安全局（EASA）認證［15］，這是增材制造承重備件首次獲得EASA 認證，如圖7［15］所示。“A-Link”零件在發動機的進氣口罩內連接形成環形熱空氣管道，防止在飛行過程中結冰，運行過程中發生的振動會導致組件在其安裝孔處磨損，可根據需要進行更換。

圖5 空客A320 仿生機艙隔板［14］Fig.5 Airbus A320 bionic cabin partition［14］

圖6 空客A350 XWB 鈦合金連接架［14］Fig.6 Airbus A350 XWB titanium alloy cabin bracket［14］

圖7 名為“A-Link”的鈦合金零件［15］Fig.7 A titanium alloy components “A-Links”［15］

2017 年，波音通過Norsk Titanium 的快速等離子定向能量沉積（Rapid Plasma Deposition，RPD）技術制造了鈦合金結構件廚房支架獲得FAA 的適航認證，應用于波音787 飛機，如圖8［16］所示。

圖8 波音787 飛機廚房支架零件［16］Fig.8 Boeing 787 aircraft alley bracket parts［16］

中國商飛公司不斷推進增材制造打印技術在民用飛機型號上的應用［16］，目前已初步探索出民機增材制造適航認證思路，并聯合上海適航審定中心、飛而康等單位實現了鈦合金激光選區熔化零件在民機上的裝機應用［17］。

3 增材制造在民機應用的挑戰

3.1 材料和工藝

3.1.1 材料選擇有限

在金屬增材制造發展初期，主要是采用現有的鑄造合金、變形合金和粉末冶金中的傳統合金材料，研究這些合金對增材制造工藝的適應性［18-19］。然而這些合金和增材制造工藝的適用性并非最佳，因此近年來發展增材制造專用合金的研究成為增材制造金屬材料發展的熱點［20-21］。

3.1.2 制造效率低

相對于傳統制造工藝，金屬增材制造的速度相對較慢，尤其是在制造大型零件時更為凸顯。這不僅會影響生產效率，也會限制金屬增材制造在批量生產中的應用［22］。

3.1.3 零件性能不穩定

影響金屬增材制造零件性能的因素主要包括以下4 個方面：殘余應力、表面質量、內部缺陷、微觀組織。如材料不均勻性和各向異性明顯，導致試片級材料性能無法代表零件性能；存在沿特定平面的亞表面和體積缺陷；零件具有明顯的表面粗糙度；殘余應力大、空間分布復雜會導致零件變形；材料性能和缺陷數量的分散性較大等。上述幾點受工藝參數的影響較大，并會在不同尺度上影響零件性能，如圖9 所示。

圖9 金屬增材制造材料和工藝的挑戰Fig.9 Challenges in metal additive manufacturing materials and processes

3.2 質量控制

為達成增材制造在民機上的應用，首先應獲得致密無缺陷的零部件，保證產品質量的一致性。但原材料、打印設備和工藝參數等因素不穩定，一定程度上會導致增材制造零件產品質量和力學性能的分散性［5］。相比鑄件、鍛件，增材制造零件往往具有形狀復雜、缺陷特殊、成形態表面粗糙、材質不均勻和各向異性明顯等特點，這使增材制造零件的質量控制面臨挑戰［23-24］。

3.2.1 缺陷形式特殊多樣

由于增材制造成形過程中涉及能量源與原材料之間復雜的交互作用和熔池金屬冶金行為，成形后制件中存在的冶金缺陷、翹曲變形等產品質量問題會損害零部件的使用性能［5，23］。不同于傳統鑄件、鍛件的缺陷形式，金屬增材制件中存在的冶金缺陷具有全域分布、形態多樣、尺寸跨度大且形成機制復雜等特點［25］。缺陷包括卷入性或析出性孔隙、熔覆層間的未熔合、夾雜物、微裂紋及殘留的金屬粉末顆粒等。如圖10［26-27］所示，有些缺陷為與工藝相關的固有缺陷，如激光選區熔化制件往往存在廣布的微小孔隙［26］；有些缺陷具有明顯的取向性和層狀分布特征，如沿熔覆層或熔覆道分布的鏈狀孔隙或層狀未熔合［27］。

圖10 金屬增材制造典型缺陷Fig.10 Typical defects in metal additive manufacturing

3.2.2 零件無損檢測

采用無損檢測方法對增材制造零件質量特性進行觀察、測量和試驗，評估其是否符合規定的驗收標準是進行質量控制的關鍵環節。然而經創新設計的增材制造零件往往結構形狀較復雜且一體化制造完成，常規的滲透、射線和超聲等檢測方法在可達性、可檢性及缺陷評定準確性上面臨挑戰。美國GE 公司［28］為解決復雜結構增材制件的內部幾何特征和缺陷可視化難題，應用工業CT 對燃油噴嘴、葉片和支架等增材制造零件及粉末原材料進行檢測。Dutton［29］為解決復雜結構增材制件缺陷檢測可達性較差的問題，驗證了通過過程補償共振檢測等方法進行增材制造零件整體質量檢測的可行性。楊平華等［30］研究了鈦合金增材制件不同成形方向的超聲波聲速、衰減及檢測靈敏度對缺陷評定準確性的不利影響。周炳如等［31］研究了15 mm 厚鈦合金增材制造缺陷的射線檢測，表明射線能檢出直徑為0.4 mm 的孔洞缺陷，但較難獲取缺陷高度方向尺寸，對細小缺陷的檢出和相鄰缺陷的辨別較困難。李文濤等［32］分析認為線陣或矩陣超聲換能器對大厚度鈦合金增材制件的在檢測精度和最大檢測深度常難以滿足要求，環陣超聲全聚焦成像能更準確表征不同深度的缺陷，但該方法在檢測薄壁構件和近表面缺陷時仍需優化。通常滲透法適用于非多孔性增材制件的表面缺陷檢測，但要考慮成形態制件表面粗糙度的影響；射線法和超聲法適用于增材制件內部缺陷檢測，但要考慮受檢工件幾何復雜性及材質影響；工業CT 方法適用于復雜結構增材制件的內部幾何測量和缺陷檢測，但成本較高且效率較低。此外增材制造零件質量檢測標準缺失，特別是質量驗收準則、質量分級檢驗指標不完善［33］，也是掣肘增材制造在民機應用的重要挑戰之一。

3.2.3 打印過程監測不成熟

采用光學成像、熱成像及聲學等方法對熔池狀態、缺陷產生和材料組織變化進行實時監測［34］，有助于及時發現異常及調控工藝參數，提高增材制造零件成形質量。近年來，各國學者均在不斷發展打印過程在線監測技術。Zenzinger 等［35］采用光學層析成像在線監測增材制造成形過程，可識別尺寸為0.2 mm 的孔隙缺陷，能清晰顯示未熔合缺陷的位置和尺寸。Everton 等［36］采用高速光學相機和紅外熱像儀在線檢測成形過程，以實現對熔池狀態的材料不連續性監測。白雪等［37］研究了激光超聲多冶金特征同步在線檢測方法，可實現0.5 mm 孔洞及裂紋缺陷可視化成像。曹龍超等［34］討論了光、聲、熱和振動信號多種傳感手段監測激光選區熔化成形過程，建立了監測信號-缺陷特征-工藝參數的定量關系。通常光學成像用于識別熔覆層成形表面異常或粉末鋪展缺陷，但較難識別熔覆層下方的冶金缺陷；熱成像用于監測熔池溫度、形態和尺寸等，預測和識別潛在缺陷特征；聲學方法依靠聲波的傳播并監測可能發生的變化預測缺陷存在。基于單一傳感在線監測較難獲得打印過程的全面信息，通過多源傳感對不同目標參量的監測及信息融合能彌補單一傳感信息量不足的問題，但現有增材制造打印過程監測技術在可檢缺陷類型、檢測精度和效率、實時性等方面離實際應用仍有較大差距。

針對增材制造零件質量控制，滲透、超聲、射線及工業CT 等無損檢測方法可用于對成形后制件的缺陷檢測與評價，以鑒別并剔除不合格品；光學成像、熱成像及聲學等在線監測方法可用于打印過程中及時發現缺陷或異常，以反饋調控提升零部件成形質量。結合民機結構件幾何構型、材料與成形工藝特點，先期開展增材制造成形工藝仿真，打印過程中進行在線監測，并與成形后零部件無損檢測相互驗證，是進行增材制造零件產品質量控制的有效途徑。

3.3 民機增材應用適航要求

適航性（Airworthiness）是用來描述民用航空器“適于（在空中）飛行”品質屬性的專用詞。民用航空器的適航性指航空器（包括其部件和子系統的整體性能和操縱特性）在預期的服役使用環境中和使用限制下，飛行的安全性和物理完整性的一種品質。適航性是確保公眾利益的需要，也是航空工業發展的需要。適航標準是保證民用航空器適航性的最低安全標準。民用飛機的設計制造必須符合相關型號采用的適航標準（適航審定基礎）中每一條款的要求。通過適航審查并獲得適航當局頒發的型號合格證是許可民用飛機設計用于生產的前提之一。

中國大型民機的研制需符合適航標準CCAR 第25 部［38］的要求，對于增材制造這類新材料新工藝的應用，中國民航局審定機構（簡稱“局方”）重點關注如下3 個條款：

1）“材料”—CCAR 25.603 條款

已經制定了針對增材制造技術的專用材料規范。這些規范是建立在經驗和測試基礎上的。材料的適用性和耐久性應已充分考慮服役中預期的環境條件。

2）“制造方法”—CCAR 25.605 條款

所用制造工藝根據批準的工藝規范進行鑒定。通過鑒定測試程序和這些規范中定義的檢查程序確保所有生產零部件過程控制的一致性。

3）“材料設計值”—CCAR 25.613 條款

材料的強度性能必須以足夠的材料試驗為依據（材料應符合經批準的材料規范要求），在試驗統計的基礎上制定設計值。考慮到數據是從不同設備、粉末和材料方向獲得，設計值需根據試驗數據的統計處理得出。經批準的材料設計值可用于增材制造零部件靜力、疲勞和損傷容限的評估。同時還需與采用傳統工藝的相同材料數據進行比較。

除上述3 個基礎條款，根據零件的應用位置和特點，還需對零件進行相應的檢測、結構/功能驗證。飛機零件適航認證的要求與零件的關鍵（重要）程度有關，零件的關鍵程度可基于零件失效后果的級別確定。零件失效后果級別分為：

1）輕度

失效不會顯著損害飛機安全或影響機組人員的工作。輕微的故障情況可能包括飛機安全裕度或功能的輕微降低、機組工作量的輕微增加、常規飛行計劃的改變或對乘客的一些不便等。主要涉及內飾件。

2）嚴重

失效可能對安全產生不利影響。如飛機安全裕度或功能顯著降低、機組人員工作量顯著增加同時效率降低或乘客感到不適。在更嚴重的情況下，會導致機組人員無法準確執行飛行任務，對乘客造成不利影響。主要涉及功能件和次承力結構件。

3）災難性

一旦失效就無法繼續安全飛行和著陸。主要為飛機主承力結構件，包括所有易受疲勞裂紋影響的結構。

將全新的材料和工藝應用于民機，對適航審定而言必將是一個漫長而謹慎的過程。增材制造技術在民機領域應用的早期，飛機和發動機主制造商都采取了非常謹慎的態度，優先選擇關鍵程度低和設計余量較大的零部件，如裝飾件和功能件，這樣可顯著降低增材制造技術最初應用時發生故障、影響飛機安全性的可能性。隨著增材制造技術不斷發展和成熟，減少零件數量、減輕零部件重量、縮短制造周期等優勢逐漸顯現，主制造商會逐步提高增材制造零件的復雜程度和關鍵性。

3.4 經濟性要求

民用飛機的經濟性要求是驅動增材制造技術應用的重要原因之一。航空制造領域采用增材制造技術主要是為了降低飛機零部件的研制生產成本、提升運營效益。飛機的輕量化要求也是推動增材制造應用的驅動力之一，這是因為機體結構的減重等于商載和運營效益的增加。此外增材制造還可用于零部件快速修復及快速航材支援，以延長航空裝備的使用壽命、降低備件庫存成本，進而帶來一定的經濟效益。

開展增材制造零件的成本梳理及要素分析，可從設備、材料、工時、能耗、勞動力與管理成本等方面考慮。如激光選區熔化金屬構件總體積相比于成形室的尺寸在一定程度上決定了單個零件的成形時間和制造成本。在研制階段，可利用增材制造適用于小批量、多品種、復雜零件快速制造的優勢，增材制造相比于鑄造和鍛造方法可降低模具成本，同時為縮短制造周期和精益生產提供有效途徑。在生產階段，基于批產條件下的典型零件分析材料成本、設備和人工成本、后處理成本等要素，對比分析采用增材制造與傳統工藝的成本差異可得出相應的制造成本核算依據。同時設備穩定性也是成本分析應考慮的重要因素，這是因為打印操作、工藝參數、零件擺放等原因導致成形失敗會造成大量的成本和時間浪費。現階段從單個零件成本看，增材制造相比于傳統鑄造、鍛造仍有差距，如何從降低材料成本、縮短生產周期、減輕結構重量及全生命周期提升運營效益等方面考慮增材制造在民機應用的經濟性也是重要挑戰之一。

3.5 民機維修應用

航空零部件往往具有高附加值，誤加工零件和服役失效零件如果直接報廢將帶來巨大的經濟損失，增材制造技術可對受損零件進行外觀及性能的恢復，在民機維修領域具有廣闊的應用前景。目前在航空領域應用最廣泛的增材制造修復技術是激光熔化沉積修復，該技術已實現在框梁結構、接頭、起落架及發動機葉片、葉盤等修復上的應用。北京航空材料研究院采用激光熔化沉積修復技術對飛機的超高強度鋼起落架、不銹鋼軸頸、鈦合金襟翼滑軌等承力構件開展修復研究工作，其中伊爾76 飛機修復超高強度鋼起落架已獲批量應用。

增材維修過程與增材制造過程相比更為復雜，維修過程包括對受損零件進行逆向建模、制定個性化修復方案，利用增材技術對受損區域進行修復及加工去除余料恢復外觀尺寸。增材修復還需考慮對修復零件基體的熱損傷、修復區與基體界面結合、熱影響區等問題。因此增材修復技術應用于民機領域在具有廣闊前景的同時還面臨一些挑戰。

3.5.1 殘余應力控制

激光增材維修過程是循環加熱冷卻的過程，會造成零件基體內部殘余應力分布發生變化，從而可能影響零件的靜力、疲勞、腐蝕等性能。同時零件也可能因殘余應力而導致變形，難以保證維修的精度，從而影響零件的外觀尺寸。

3.5.2 修復材料集約化

由于受損零件的材料情況復雜，因此需要準備的修復材料種類龐大，由此帶來一定的倉儲問題或訂貨運輸周期問題。因此開發可同時滿足不同待修復零件的集約化新材料將大幅降低維修成本、縮短維修周期。

3.5.3 性能評價標準建立

目前適用于增材修復的民機應用場景越來越多，但標準體系不完善將阻礙增材修復技術的工程化應用。并且，對于民機增材維修零件的性能評價一般需要采用“積木式”方法，驗證周期長、成本高，這與增材維修周期短的優勢相矛盾，因此需要針對增材維修技術建立相應的航空維修裝備評價標準。

4 民機增材制造技術應用機遇

4.1 發展規劃及政策

為搶占增材制造技術的戰略先機，推動其產業化應用進程，增材制造在多個國家被列為國家級重大戰略，并制定了相應的發展規劃和支持政策。

2009 年以來，美國先后制定了《重振美國制造業框架》《先進制造國家戰略計劃》《增材制造在國防部的使用》等一系列國家戰略，將增材制造技術列為美國制造業支柱技術之一，并在2012 年創立了美國國家增材制造創新研究所。歐盟也將增材制造技術作為未來制造業革命的重要部分［39］。歐盟于2015 年投入2.25 億歐元開展增材制造專項研究，并發布了增材制造標準化路線圖。德國于2008 年成立了增材制造研究中心，在創立“工業4.0 平臺”時明確表示“將大力研發、創新激光增材制造等新興先進技術”，并在《國家工業戰略2030》中將增材制造技術列為多個領域的核心技術。英國自2011 年以來持續增加增材制造技術的研發經費投入，并在《未來高附加值制造技術展望》中將增材制造列為提高國家競爭力和制造業定位的主要技術之一［40］。此外，英國、日本、韓國、新加坡等國也制定了相應的政策積極開展增材制造技術研究，并投入大量資金推動其產業化應用進程。

為實現制造業“外道超車”，推動增材制造產業應用，中國自2012 年以來相繼推出了針對增材制造的支持政策，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》《中國制造2025》《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016 年）》《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020）》《增材制造標準領航行動計劃（2020—2022 年）》等一系列政策的發布和實施［39］有力推動了增材制造在中國的快速發展。

4.2 產業規模發展

增材制造產業鏈不斷完善，市場規模持續擴大，《Wohlers report 2023》發布的數據如圖11［41］所示，2008—2022 年全球增材制造產品和服務總營收逐年增長，其中2022 年全球增材制造總營收增長18.3%。中國增材制造產業在國家政策支持下飛速發展，近年來營收增長率均高于全球水平，其中2019—2022 年中國增材制造總營收分別增長29%、31%、27%、21%［42］。

圖11 2008—2022 年全球增材制造產品和服務年營收［41］Fig.11 Annual revenue of global additive manufacturing products and services from 2008 to 2022［41］

中國增材制造廣泛應用于航空航天領域，對原材料的性能指標要求較高，生產工藝區別于傳統原材料。目前中國增材制造專用材料性能及生產規模已基本滿足國內需求，中航邁特、飛而康、江蘇威拉里等供應商已具備生產高品質鈦合金粉末、高溫合金粉末、高強鋁合金粉末等原材料的能力。

中國工業級增材制造設備呈現出大型化和高效率的發展趨勢，華曙高科、鉑力特、易加三維等設備制造商均已推出了超大幅面米級設備，在高功率、多激光的作用下，可實現大尺寸零件的高效制造。

中國產業體系不斷發展完善，2022 年中華人民共和國工業和信息化部開展了增材制造產業化應用示范場景征集，旨在研發應用更加適配行業需求、更加先進適用的增材制造專用材料、裝備和應用技術解決方案，遴選并發布了36 項增材制造典型應用場景。截至2022 年，中國增材制造產業鏈相關企業已達1 000 余家，其中不乏龍頭企業在產能規模和市場應用方面展現出快速發展。2019 年，西安鉑力特成功在科創板上市，成為首家登陸科創板的增材制造裝備研制公司；作為將冷噴涂增材制造技術產業化運用在航空器維修領域的湖北超卓航空科技股份有限公司，于2022 年在科創板上市，并于2023 年成為中國首家獲批使用冷噴涂技術的航空部附件維修單位；2022 年，工業級增材制造裝備頭部企業湖南華曙高科技股份有限公司正式在上海證券交易所科創板掛牌上市；2023 年3 月，中國工業級光固化3D 打印廠商上海聯泰科技已完成IPO 上市輔導備案。

4.3 民機應用需求

增材制造技術可有效提高設計和制造自由度，為民用飛機結構輕量化提供了有效的途徑。飛機減重對提高經濟性、提升飛機整體性能、減少碳排放污染等意義重大，控制好飛機重量、進行有效的減重工作是保持民機競爭性的必要條件之一。經濟性是民用飛機滿足市場競爭要求和實現產品成功商業化的重要指標，飛機重量直接影響運營成本，輕量化帶來的燃油成本降低不容小覷。飛機重量也是衡量飛機設計先進性的重要指標之一，減重有助于改善飛機的整體性能，如飛行速度、載重量、推重比和升力等。飛機減重與綠色航空理念相契合，全球氣候變暖及環境污染的加劇使減少航空碳排放迫在眉睫。國際民航組織計劃到2050 年商用飛機的碳排放減少一半。為了實現這一目標，一方面要使用清潔能源，另一方面也要通過輕量化設計等方法來提高燃油效率。

5 民機增材制造技術發展趨勢

5.1 適航認證

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制造技術開展適航審查與認證工作早就受到了美國、歐洲等國家/地區的民用飛機適航審定機構的關注，并已開展大量針對適航符合性驗證方法的探索性研究工作。

FAA 認為增材制造并不是第一種對FAA 認證流程提出挑戰的新材料新工藝。半個世紀前，復合材料的引入就曾帶來過類似的挑戰。2015 年6 月，FAA 發布了AIR 100-15-130-GM39《增 材制造認知》備忘錄［43］，提出由設計、制造和適航部門（AIR-100）組建了增材制造國家團隊（AMNT），收集增材制造民機應用的信息，為即將開展的增材制造認證收集技術資源。2016 年7 月，FAA 發布了AIR 100-16-130-GM18《粉 末床熔融增材制造零件的工程考慮》備忘錄［44］，這份備忘錄沒有為增材制造零件提供具體指導，而是從產品設計、原材料、成形過程、后處理、檢測方法、工藝驗證、材料設計值獲取及其他方面對零件制造者提出了必須考慮的一些技術問題。2016 年9 月，FAA 發布了AIR 100-16-110-GM26《增材制造設施和過程的評估》備忘錄［45］，旨在幫助航空安全審查員（ASI）對增材制造設施及過程進行評估，包括人員培訓、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，完成對增材制造過程穩定性的評價。

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》［46］的征求意見稿，在這份咨詢通告中FAA 首次針對增材制造零件（雖然僅限于渦輪發動機零件）的適航取證建議采用類似于復合材料的積木式驗證方法，如圖12［46］所示，通過試樣級、細節件級、構件級等多層級積木式驗證來保證產品安全性。

圖12 AC 33.15-4 推薦的增材制造零件“積木式”試驗驗證體系［46］Fig.12 “Building Block”experimental verification system for additive manufacturing parts recommended by AC 33.15-4［46］

2017 年4 月歐洲航空安全局發布了CM-S-008《增材制造認證備忘錄》［47］，闡述了引入增材制造技術給民用飛機適航審定過程參與者和取證策略帶來的影響。2022 年EASA 批準了第一個在飛機上使用增材制造的承力金屬部件ALink（A 形連接件），這也意味著未來EASA 等機構可能將允許增材制造技術應用于更多的民機重要承力結構。

中國民航局（CAAC）民用航空適航審定中心于2021 年發布了審定技術指導材料《增材制造結構審定的技術說明（征求意見稿）》，建議采用類似于復合材料的積木式驗證方法，通過試樣級、細節件級、構件級等多層級積木式驗證保證設計值的準確性。

2022 年CAAC 下屬上海適航審定中心完成了對中國商飛公司國產大飛機C919 艙門增材制造鈦合金件的審查，批準鈦合金增材制造零件安裝在C919 飛機的艙門機構中。這是中國首次批準增材制造金屬件在民用飛機的裝機應用，采用了具有創新特色的“單件適航”策略，減少了試驗量、縮短了取證周期，初步構建了民機靜強度驅動增材制造結構適航取證體系，解決了長期困擾增材制造結構裝機應用的適航取證關鍵核心問題。

5.2 一體化設計制造

增材制造大大解放了制造工藝對飛機結構形式的約束，為結構創新設計提供了機遇和技術基礎。對飛機結構可基于先進制造“量身定做”，通過設計與制造高度融合構造出全新結構形式，其中包括大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和結構功能一體化等。基于增材制造的創新結構具有高減重、長壽命、多功能、低成本、快速響應研制等顯著優勢，有望突破傳統結構的設計“天花板”［48］。

采用與GE 公司Leap 發動機燃油噴嘴一體成形類似的原理，近期針對飛機結構大部件的一體化設計逐漸成為備受關注的研究方向。飛機機體零部件的大型整體化設計是指針對機體結構中的重要連接開展一體化設計優化，弱化應力集中，使非承載的參與區最小化、消除接頭連接，從而構建整體大部件，實現減少零件數量、減輕結構重量、均勻應力分布等效果。

在某新型戰機中，2020 年王向明團隊建立了帶制造屬性和壽命屬性的多約束協同設計方法，并基于該方法設計了無接頭連接的鋁合金加強框-翼梁整體件，如圖13［48］所示，實現了零件減少50%、重量減少38%、翼根高度降低1/4、制造效率提高10 倍以上［48-49］。同時針對整體結構裂紋擴展抑制難點提出了鈦合金層合結構設計方法，發現裂紋擴展“平臺特征”，發明鈦合金層合梁肋長壽命結構，通過主動調控可延長裂紋擴展壽命3 倍以上［48］。

圖13 某型戰機機翼/機身整體大部件［48］Fig.13 Large components of fuselage/wing structure of a certain fighter aircraft［48］

針對直升機中等旋翼飛行器，溫學團隊指出增材制造技術可實現結構的一體化成形，從而大幅減少直升機零部件數量，進而有效降低結構在接頭部位失效的風險，同時也減少了設計人員和零件加工制造人員的工作量，縮短直升機交付周期［50］。在航天領域，王婧超團隊針對去連接件的航天運載器上面級艙體結構整體成形需求，基于現有激光選區熔化設備完成縮比產品的一體化設計制造，驗證了基于增材制造技術實現運載火箭典型主體結構無連接件設計的可行性［51］。

對于飛機結構整體優化設計，人們期待進一步推廣至整個機身結構、機翼結構甚至整機。俄羅斯的蘇霍伊設計局給出了對戰機整機機身結構都采用拓撲優化構型的設計，如圖14［52］所示，空客公司也提出了未來客機的概念方案，并期待到2050 年左右通過增材制造技術打印整架飛機，如圖15［52］所示。

圖14 戰機整機拓撲優化設計概念圖［52］Fig.14 Concept art of topology optimization design of fighter aircraft［52］

圖15 空客未來客艙概念圖［52］Fig.15 Concept art of future Airbus cabin［52］

結構一體化設計是發揮增材制造工藝優勢的最佳設計形式，但仍需在結構整體建模、多功能與多學科性能的綜合優化設計、跨尺度結構構型的性能表征和優化設計、增材制造工藝約束等方面進一步開展深入研究［53］。

5.3 數字化智能化

經過20 多年研究和開發，在眾多商用合金中只有極少數能打印出無缺陷且結構合理的部件，所有增材制造產品的市場價值在制造業經濟中所占比例微乎其微。造成這一困難的原因是增材制造零部件的結構和性能存在顯著差異，且容易出現缺陷［54］。目前結構和性能的優化及缺陷的減少是通過對不同打印技術的工藝變量矩陣進行試驗和試錯測試實現的。然而由于原材料和打印設備的價格昂貴，因此在對增材制造零件進行合格鑒定時試錯法的成本很高［55］。

為解決這些難題，需用一種先進的工具取代試錯法。隨著智能技術逐漸取代傳統流程，智能系統通過傳感器連接、通信技術、云計算、仿真和數據驅動建模在生產集成制造中變得越來越突出［56］。數字孿生是以數字化方式為物理對象創建虛擬模型模擬其在現實環境中的行為，許多行業和政府機構已成功構建并用于不同的制造流程。如通用電氣公司目前擁有超55 萬個正在運行的真實物理系統的數字孿生系統，從噴氣發動機到動力渦輪機［57］。此外美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍也在研究如何使用數字孿生提高車輛設計的可靠性和安全性［58］。基于增材制造的數字孿生由機械模型、傳感和控制模型、統計模型、大數據和機器學習組成，如圖16［59］所示。研究表明通過創建數字孿生系統，可在打印的物理世界和虛擬世界之間架起一座橋梁，減少試驗和錯誤測試次數，減少缺陷，縮短設計和生產之間的時間，并使更多金屬產品的打印具有成本效益［60-63］。盡管數字孿生驅動的增材制造仍處于起步階段，但它已顯示出巨大的潛力，其自主能力源于數字孿生中嵌入的人工智能，可改變增材行業［64］。

圖16 3D 打印的數字孿生系統示意圖［59］Fig.16 Schematic diagram of digital twin system for 3D printing［59］

5.4 新材料新工藝

5.4.1 更適用于增材制造的高強合金開發

隨著航空工業的不斷發展，對于航空器材料的要求也越來越高。增材制造作為一種新興的制造技術，為航空領域提供了許多創新的解決方案。在增材制造材料方面，高強度金屬材料的發展成為了一個重要的趨勢。

基于民機的應用特點，航空零部件必須由高性能材料制成，且在運營過程中需要可靠和耐久性以確保可接受的安全水平。鈦合金因其良好的耐腐蝕性、低密度和高強度等機械性能廣泛用于航空航天［55］。隨著未來飛機型號發展，需開發出強度和韌性更高的鈦合金以滿足輕量化需求［65］。鋁合金一直是飛機結構部件的主要材料［66］，但可用的鋁合金材料有限，且大多數傳統鋁合金不適于增材制造工藝。為此學術界和工業界都開展了大量研究，如使用傳統高強度鋁合金的粉末確定合適的增材制造加工窗口，對粉末進行預合金化及開發先進的鋁基復合材料，并通過原位或非原位方法引入增強相等［67］。現有的金屬增材制造主要用于制造單一材料的零件，隨著金屬增材制造技術的進一步發展，需加強材料研究和開發，提高材料性能的穩定性和可靠性，拓展金屬增材制造的材料選擇范圍，并針對增材制造特點設計新型材料。在新材料設計時不僅要考慮合金的可加工與拉伸性能，更應依據具體服役要求，針對性地開展特定性能的合金成分設計［68］。

5.4.2 功能分級金屬材料

隨著商業應用的不斷增加，對在單個零件中包含多種不同材料的情況進行增材制造的需求也在增加。多材料增材制造（MMAM）是一個新興領域。與一般的增材制造方法相比，MMAM帶來了更高的設計自由度，如將結構與功能相結合，實現可定制的材料物理性能（如局部耐磨性、高導熱性、隔熱性、耐化學腐蝕性等），甚至為增材制造零件引入了新的自由度［69］。功能分級金屬材料（FGMMs）是一種新型異質材料，由結構或成分具有梯度的多金屬成分組成。與傳統的均質材料相比，功能分級金屬材料能以空間可控的方式集成多種不同的成分，從而創造出理論上單一材料不可能同時具備的各種先進性能的組合。因此在復雜惡劣的工作環境中，如航空發動機（極端溫度和壓力）、核電站水反應堆（高壓和腐蝕性）和空間站（低壓/低溫），對FGMM 的需求量很大［70］。隨著多材料粉末供應技術瓶頸的突破，使用增材制造生產多材料零件已成為現實。目前多材料的增材制造仍處于初級階段，距離實現加工無缺陷零件并將其用于實際工業應用的最終目標仍有較大差距，需從材料、工藝和軟件等多個方面開展研究。如何集成復雜的混合制造系統，建立設計和制造規則，優化制造流程，現場監測和控制制造質量，評估零件的可靠性、耐久性等都需要進一步研究。

5.4.3 復合材料3D 打印

復合材料的特性使其具有輕質、高強度的特點，相較于傳統金屬材料更加輕便。復合材料3D打印技術在航空領域的優勢主要表現在輕量化方面。航空行業對飛機的重量控制非常嚴格，而復合材料具有輕質、高強度的特點，與傳統金屬材料相比更輕薄。傳統制造方法難以實現復雜的空腔結構和多層結構，而3D 打印技術可以通過逐層堆疊的方式直接將復合材料打印成復雜結構，從而最大程度地減少無用材料的使用量，實現飛機輕量化。

目前已有多種復合材料可供3D 打印使用，如碳纖維、玻璃纖維等。未來預計將出現更多種類的復合材料，包括具有特殊性能的材料。這將使航空器制造商能根據不同需求選擇適合的材料，并實現更加智能化的設計和制造。隨著技術的進步，復合材料3D 打印技術將能實現更小尺度、更精細結構的部件制造。這將有助于提高飛機的性能和效率，促進航空器的創新設計。未來復合材料3D 打印技術發展將需要多學科的融合。航空工程、材料科學、計算機科學等領域之間的合作將推動該技術更好地應用于民用飛機制造，并促進其更廣泛的發展和應用［71］。

5.4.4 4D 打印技術

4D 打印技術是一種相對較新的制造技術，它在3D 打印的基礎上，通過使用具有響應性材料或結構的打印件實現在外部刺激下產生形狀、結構或功能變化的能力。這種技術可使打印件在特定條件下自動變形、組裝或執行特定功能。

4D 打印的概念自提出以來，引起人們極大的興趣和關注。隨著打印材料、打印方法的不斷拓展與進步，其在航空航天領域具有良好的應用前景。未來4D 打印的發展需高度依賴3D 打印技術、智能科學、新型結構設計及建模等，才能構建精準、穩定預測4D 零件形狀變化的模型，應用于大型、長壽命民用航空應用場景中［72］。相信4D打印未來會在民用飛機上發揮不可小覷的作用。

5.5 維護維修

通過增材技術對受損零件進行修復實現再制造符合國家發展循環經濟的戰略，可為高附加值的航空產業帶來巨大價值。金屬增材維修技術已在軍機領域得到廣泛應用，從發動機葉片損傷修復逐步發展到飛機框、梁、搖臂、支架等各類零件的損傷修復［73］。借鑒軍機領域機體結構腐蝕、磨損、疲勞裂紋等修復經驗，結合民機維修維護設計要求，考慮飛機安全性和可靠性，未來民機增材制造維修可從風險性較小的非關鍵件著手修復，逐步考核驗證，以此為基礎有序推進至關鍵件。為進一步提高增材維修技術應用的廣度和深度，滿足民機持續適航要求，增材維修技術展現出以下發展趨勢。

5.5.1 航空備件生產

在持續適航過程中，航空零部件的損壞很可能導致整個飛機無法正常服役或運營，目前對于故障零部件的維修一般采用向飛機制造商采購原廠零部件的方式，隨著飛機型號不斷迭代，某些零部件備件的生產線取消，一些零件將面臨無法生產備件的問題。

一方面，通過激光選區熔化技術導入所需零件的三維模型、設置打印參數即可完成零件制造，不再需要提前儲備備件，不但可減少運輸周轉時間、快速恢復運行，且能有效降低備件的庫存量。

另一方面，中國航空工業亟須進一步加快民用航空零部件“國產化”步伐。增材制造技術在支持航空零部件和航材國產化方面具有天然優勢。針對供應商唯一或選擇很少且需求量很低的航空零部件，可能面臨零件更換價格昂貴、供貨周期長的問題。引入增材制造技術可實現對鑄造、鍛造等工藝的替代，完成滿足原廠件要求的自制件研制，可有效避免航材“受制于人”的情況。

5.5.2 低溫修復技術推廣

冷噴涂是一種固相增材制造技術，與基于熔化的增材技術（如熱噴涂、激光熔覆、電弧增材等）不同，是通過顆粒在高速沖擊下的嚴重塑性形變形成涂層的沉積技術，冷噴涂過程中材料溫度低于熔點，可減輕粉末顆粒氧化和基體相變、晶粒粗化、熱變形等問題，為復雜零件和薄壁零件的修復提供了新的解決方案，同時冷噴涂還具有較高的沉積效率［74］。基于以上技術特點，冷噴涂的應用場景將更加豐富。美國陸軍研究實驗室（ARL）2000 年開始開展冷噴涂修復技術在航空領域中的應用研究，2001 年創建了冷噴涂研發中心，2008 年以來，ARL 利用冷噴涂技術成功修復了很多高價值的鋁合金及鎂合金零部件，如UH-60 主旋翼變速箱殼體、B-1轟炸機的前系統艙面板及鈦合金液壓管路、AH-64 阿帕奇桅桿支架、飛機起落架等。隨著民航領域的快速發展，民用飛機構造性能高、結構復雜，對配套的機載設備、機體結構維修再制造技術也提出更高要求。冷噴涂固態增材制造技術在民用飛機制造修復領域的應用潛力很大，可在保證維修質量的前提下，極大提高維修效率、降低維修成本。

5.5.3 移動式增減材一體化修復裝備

增材修復后還需進行局部加工恢復零件外觀尺寸及表面質量，為隨時隨地實現更加便捷的現場修復，修復裝備需向移動式便攜化、增減材一體化方向發展。

6 結論

增材制造作為一種具有數字化、智能化特點的新興技術，在復雜結構一體化成形、縮短生產周期、提高材料利用率等方面優勢顯著，有助于民用飛機結構的快速設計迭代、減重降本增效、敏捷航材支援及維修維護應用。現階段增材制造在高性能零部件的成形質量一致性和性能穩定性控制、標準規范體系建立、材料和工藝的鑒定與認證、最終零件適航符合性驗證等方面亟待解決的關鍵問題是制約其在民用飛機工程化應用的重要挑戰。

國內外在先進制造領域持續的政策和資金支持加快了增材制造產業化應用進程，專用材料供給能力、工藝裝備及軟件系統性能的逐步提升，產業鏈條的逐漸完善，給民用飛機的增材制造技術應用帶來了重要的發展機遇。隨著民用航空領域對增材制造材料、工藝和零部件的適航審查與認證探索研究，增材制造與優化設計深度融合發展，該技術在飛機結構的大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和結構功能一體化應用等方面前景廣闊。