張文揚(yáng) 梁家譽(yù) 栗曉飛 劉偉 王曉 楊黨綱 周標(biāo)

摘要：在增材制造航空金屬構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)中確定質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)策略是十分重要的，這決定了增材制造金屬構(gòu)件的使用等級(jí)和場(chǎng)合。目前，我國(guó)航空工業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于質(zhì)量檢驗(yàn)的一般做法為：借用同類材料鍛件超聲波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定增材制造構(gòu)件的質(zhì)量等級(jí)，一般要求達(dá)到A級(jí)或者B級(jí)。但是，現(xiàn)行增材制造金屬構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)于構(gòu)件的質(zhì)量等級(jí)未作出明確規(guī)定，質(zhì)量檢驗(yàn)基本依賴于超聲檢測(cè)中的一種質(zhì)量等級(jí)，同時(shí)缺少相應(yīng)的X射線按等級(jí)檢驗(yàn)的要求，因此目前的航空工業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步完善。通過(guò)對(duì)比金屬構(gòu)件增材制造相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HB）、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）、美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）、國(guó)際自動(dòng)化工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（AMS）以及美國(guó)焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（AWS）等標(biāo)準(zhǔn)，分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬材料增材制造構(gòu)件的質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)策略，簡(jiǎn)要地評(píng)述了不同質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)策略的特點(diǎn)，解析了美國(guó)焊接學(xué)會(huì)的AWS D20.1/D20.1M：2019《金屬構(gòu)件增材制造標(biāo)準(zhǔn)》中質(zhì)量分級(jí)及檢驗(yàn)策略與其AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1《航空航天用熔焊標(biāo)準(zhǔn)》質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)策略相近似的基本內(nèi)涵，探討并提出了我國(guó)航空工業(yè)對(duì)于金屬構(gòu)件增材制造質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)的建議。

關(guān)鍵詞：增材制造;金屬構(gòu)件;質(zhì)量分級(jí);質(zhì)量檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0014-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.03

0? ? 前言

增材制造，俗稱3D打印，是采用粉末或絲材逐層進(jìn)行制造，被廣泛認(rèn)為是一種顛覆性技術(shù)，具有從根本上改變未來(lái)制造的潛力[1]。對(duì)于金屬構(gòu)件的增材制造，按熱源可以分為激光、電子束和電弧三大類[2-3]。

金屬構(gòu)件的增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域獲得了一些重要的應(yīng)用。如：空中客車防務(wù)與宇航公司制備了歐洲航天局Eurostar E300的鋁合金支架;Rolls-Royce公司生產(chǎn)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的油氣分離器;GE公司制備了具有自由空間曲面的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片以及具有一體化設(shè)計(jì)的燃油噴嘴等[2]。

然而，增材制造仍面臨很多挑戰(zhàn)，在材料、設(shè)備、工藝、軟件、監(jiān)控等方面需要解決大量的科學(xué)與工程技術(shù)問(wèn)題[4-5]。對(duì)大多數(shù)金屬不能形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)一直是金屬增材制造的瓶頸[6]，其中標(biāo)準(zhǔn)的缺失是增材制造工程化應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要掣肘之一。制定寬緊適度的金屬增材制造構(gòu)件質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，是十分重要且緊迫的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，關(guān)系到構(gòu)件能否使用以及在何種條件下使用。目前，我國(guó)的航空工業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金屬增材制造構(gòu)件的質(zhì)量分級(jí)還不清晰，主要借用同類材料鍛件的某一級(jí)別的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定金屬增材制造構(gòu)件，同時(shí)缺少X光檢驗(yàn)的質(zhì)量分級(jí)技術(shù)指標(biāo)。但是增材制造的金屬構(gòu)件本身并非鍛件，因此目前的航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未從體系上解決質(zhì)量分級(jí)與質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。文中通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別是對(duì)比了AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》[7]與 AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1 《Specification f或 Fusion Welding for Aerospace Applications》[8]，解析了AWS增材制造標(biāo)準(zhǔn)是將金屬增材制造構(gòu)件的不連續(xù)缺陷技術(shù)指標(biāo)近似作為焊接構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)檢測(cè)的內(nèi)涵，并提出了我國(guó)航空工業(yè)金屬構(gòu)件增材制造質(zhì)量分級(jí)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建議。

1 金屬增材制造標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2002年，世界上第一份增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)誕生，是由SAE（國(guó)際自動(dòng)化工程師學(xué)會(huì)）編制的AMS 4999。截止目前，國(guó)外與金屬材料增材制造相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)（部分）如表1～表3所示[9]。

SAE已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)多涉及粉末、產(chǎn)品工藝和退火等，未涉及增材制造質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容。

ASTM和ISO發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2、表3）主要是術(shù)語(yǔ)和格式，也未涉及增材制造質(zhì)量分級(jí)檢驗(yàn)策略。

美國(guó)宇航局NASA針對(duì)航空航天對(duì)于增材制造產(chǎn)品應(yīng)用及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，由馬歇爾航空航天中心制定并發(fā)布MSFC-STD-3716和MSFC-SPEC-3717。MSFC-SPEC-3716是金屬激光粉床熔融增材制造航空航天產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了增材制造過(guò)程控制的基本要求及研制與生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)[2]。

2019年美國(guó)焊接學(xué)會(huì)發(fā)布了AWS D20.1/D20.1

M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Compo-nents using Additive Manufacturing》[7]。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了增材制造質(zhì)量分級(jí)和檢驗(yàn)策略，文中討論部分會(huì)詳細(xì)論述。

國(guó)內(nèi)已發(fā)布的與金屬增材制造構(gòu)件相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)以及航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4中只有HB 20451-2018規(guī)定了航空鈦合金零件激光增材制造直接沉積增材制造-制件規(guī)范按超聲波檢測(cè)驗(yàn)收的要求。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)對(duì)X光檢測(cè)也做出了規(guī)定：允許制件內(nèi)部出現(xiàn)最大尺寸不超過(guò)1.2 mm的缺陷;兩個(gè)單個(gè)缺陷之間的最小距離至少為單個(gè)缺陷尺寸的2倍，否則按一個(gè)大缺陷處理，缺陷尺寸等于兩個(gè)單個(gè)缺陷尺寸與其之間距離的加和。但是，該規(guī)定對(duì)質(zhì)量是沒(méi)有分級(jí)的。超聲波檢測(cè)與X光檢測(cè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，檢驗(yàn)準(zhǔn)則不統(tǒng)一。

另外，由中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院制訂的與激光增材制造修復(fù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，其中3份是粉末標(biāo)準(zhǔn)，另外3份分別是高溫合金、結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼、以及鈦合金修復(fù)的工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表5中HB/Z 20074-2018、HB/Z 20075-2018和HB/Z 20076-2018是按激光焊接焊縫的內(nèi)部質(zhì)量要求對(duì)相應(yīng)材料增材制造質(zhì)量作出了規(guī)定。

2 分析與討論

從國(guó)外已經(jīng)發(fā)布的增材制造標(biāo)準(zhǔn)看，其中部分是增材制造的名詞、術(shù)語(yǔ)、定義，部分是粉末標(biāo)準(zhǔn)及工藝標(biāo)準(zhǔn)。涉及質(zhì)量分級(jí)及檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)編制的ASTM F2924-12《Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion》[10]，規(guī)定了鋪粉熔覆増材制造T-6A-4V鈦合金產(chǎn)品的類別：1類部件用于不要求等熱靜壓的安全關(guān)鍵部位;2類部件用于要求熱等靜壓的安全關(guān)鍵部位;3類部件用于性能關(guān)鍵部位;4類部件用于概念模型和原型件。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定產(chǎn)品的顯微組織應(yīng)當(dāng)是α相和β相組成的兩相組織。α相可以是針狀、片層狀、等軸或網(wǎng)籃狀組織。允許初生β品界上有連續(xù)的O相。柱狀晶組織是可接受的。ASTMF2924-12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的増材制造產(chǎn)品的性能要求與Ti-6AI-4V鈦合金模鍛件的性能要求基本相同[9]。

總體上，我國(guó)在增材制造標(biāo)準(zhǔn)的制定上數(shù)量少且不充分，缺乏制定標(biāo)準(zhǔn)的頂層文件，特別涉及增材制造構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量很少。目前我國(guó)航空工業(yè)已發(fā)布的金屬材料增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有11份[11-21]，其中6份是中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院編制的與激光直接沉積增材制造粉末和修復(fù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量檢驗(yàn)采用激光焊接的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)涉及到金屬構(gòu)件增材制造質(zhì)量超聲檢驗(yàn)和X光檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的是HB 20451-2018《航空鈦合金零件激光直接沉積增材制造制件規(guī)范》[11]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鈦合金激光直接沉積增材制件的要求、質(zhì)量保證和交貨準(zhǔn)備等。該標(biāo)準(zhǔn)中的表5對(duì)增材制造鈦合金構(gòu)件的超聲波檢測(cè)作出了規(guī)定（見(jiàn)表6），力學(xué)性能取向示意如圖1所示。

如前文所述，HB 20451-2018《航空鈦合金零件激光直接沉積增材制造? 制件規(guī)范》雖然同時(shí)規(guī)定了超聲檢驗(yàn)和X光檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，保證了最低的增材制造質(zhì)量要求，但是并未對(duì)質(zhì)量作出分級(jí)處理，超聲波檢測(cè)與X光檢測(cè)之間缺少對(duì)應(yīng)關(guān)系，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的檢驗(yàn)準(zhǔn)則。

AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fab-rication of Metal Components using Additive Manufac-turing》[7]在質(zhì)量分級(jí)及檢驗(yàn)策略方面值得學(xué)習(xí)和借鑒。該標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定不連續(xù)缺陷的指標(biāo)上，不區(qū)分材料種類，不區(qū)分增材制造方法（不論是直接能量沉積，或者粉末床熔融;不論是激光增材，還是電子束增材），其質(zhì)量分級(jí)及不連續(xù)性缺陷檢驗(yàn)指標(biāo)與AWS熔焊標(biāo)準(zhǔn)一脈相承，見(jiàn)表7～表9。

觀察表7，并對(duì)比表8、表9，可以看出：

（1）在AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manu-facturing》[7]定義了質(zhì)量等級(jí)A、B、C三個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表7）。

（2）與熔焊標(biāo)準(zhǔn)一樣，A、B、C三級(jí)都不允許出現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖2）、未熔合（見(jiàn)圖3）和冷隔;并且，表面裂紋和亞表面裂紋以及夾渣的具體驗(yàn)收指標(biāo)與熔焊標(biāo)準(zhǔn)完全一致;增材制造的標(biāo)準(zhǔn)中，刪除了不適用的咬邊、凹坑以及加強(qiáng)高等概念;同時(shí)嚴(yán)格了對(duì)鈦合金、不銹鋼等材料氧化變色的要求見(jiàn)表7、表8。

因此，AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Com-ponents using Additive Manufacturing》[7]與AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1《Specification for Fusion Welding for Aerospace Appli-cations》[8]對(duì)于質(zhì)量分級(jí)及不連續(xù)性缺陷檢驗(yàn)指標(biāo)是完全一致的，也與我國(guó)航空焊接構(gòu)件的質(zhì)量分級(jí)完全一致，不連續(xù)性缺陷檢驗(yàn)指標(biāo)也十分接近。唯一的區(qū)別是T的定義。在焊接構(gòu)件中，板厚是明確的。在AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》中，T是穿過(guò)包含不連續(xù)性缺陷的兩個(gè)相對(duì)平面之間的最小間距，具有板厚的物理意義。但是這里的T是虛擬的，需要按CT檢測(cè)圖像確定。圖4是選擇電子束熔化增材制造Ti-6Al-4V制件中缺陷分布的CT檢測(cè)結(jié)果[2，24]，需要找到合適的平行面來(lái)確定相應(yīng)的T值。

從質(zhì)量分級(jí)和質(zhì)量檢驗(yàn)的角度，AWS D20.1/D2 0.1M：2019具有如下特點(diǎn)：（1）將金屬增材制造結(jié)構(gòu)件按焊接結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量分級(jí)，分為A、B、C三個(gè)等級(jí);（2）金屬增材制造結(jié)構(gòu)件與焊接件的不連續(xù)性缺陷的質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)十分近似;（3）質(zhì)量驗(yàn)收準(zhǔn)則中，裂紋、未熔合、冷隔、表面氣孔、亞表面氣孔以及夾渣的指標(biāo)與熔焊標(biāo)準(zhǔn)完全一致;（4）質(zhì)量驗(yàn)收準(zhǔn)則不是針對(duì)某一種或者某一類材料，而是可應(yīng)用于絕大多數(shù)材料的通用技術(shù)準(zhǔn)則;（5）加強(qiáng)了氧化變色的控制;（6）去除加強(qiáng)高、咬邊以及凹坑等不適用于增材制造的焊接術(shù)語(yǔ);（7）引入了具有板厚物理意義的最小平面距離;（8）質(zhì)量驗(yàn)收準(zhǔn)則不依賴于某種特定的檢測(cè)方法，即無(wú)論是X光檢驗(yàn)，還是超聲檢驗(yàn)，都應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中所提出的統(tǒng)一指標(biāo)。因此，筆者認(rèn)為，這份標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量分級(jí)和質(zhì)量檢驗(yàn)的體系上是完善的。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，與鑄造和鍛造相比較，增材制造與焊接過(guò)程最為相近，二者都有移動(dòng)的熱源、熔池、以及隨熱源移動(dòng)的流動(dòng)金屬。以送絲方式進(jìn)行的增材制造可直接歸入焊接過(guò)程。但是，以粉末方式進(jìn)行的增材制造與焊接過(guò)程有所區(qū)別（見(jiàn)圖5），主要體現(xiàn)在掃描速度、熱源功率、冷卻速度之間的差異（激光粉末床熔融在微小尺寸熔池中，固/液界面具有超快的冷卻速度，可達(dá)到1×107～1×108 K/s。由于聚焦激光能量與金屬粉末相互作用時(shí)間極短（1×10-6～1×10-3 s），導(dǎo)致出現(xiàn)細(xì)晶組織，因而有利于構(gòu)件的力學(xué)性能[23]），分離的粉末與固態(tài)金屬所處環(huán)境之間的差異，以及二者最終在顯微組織、缺陷及性能上的差異。微空洞、氣孔以及裂紋、開(kāi)裂是粉末增材制造易出現(xiàn)的缺陷。但是，從航空金屬構(gòu)件質(zhì)量控制的角度看，無(wú)論是焊接件還是增材制造構(gòu)件，對(duì)于不連續(xù)性缺陷應(yīng)有統(tǒng)一的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，這正是AWS D20.1/D20.1M：2019所體現(xiàn)的，也是我國(guó)制定航空金屬材料增材制造標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮的。

3 結(jié)論

針對(duì)增材制造在各行業(yè)的應(yīng)用，零件的質(zhì)量等級(jí)分類越來(lái)越受到各類用戶的關(guān)注，直接關(guān)系到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及檢測(cè)評(píng)估中對(duì)于材料及制件鑒定、質(zhì)量控制、缺陷數(shù)值等要求的界定。目前，ASTM、1SO等很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制機(jī)構(gòu)都已開(kāi)展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制[9]。AWS編制的AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》，對(duì)于我國(guó)航空工業(yè)金屬增材制造標(biāo)準(zhǔn)的編制具有借鑒和參考價(jià)值。因此，對(duì)于我國(guó)航空工業(yè)金屬增材制造標(biāo)準(zhǔn)的編制，主要建議如下：

（1）充分考慮焊接過(guò)程與金屬增材制造過(guò)程的相似性。

（2）借用焊接構(gòu)件的不連續(xù)性缺陷術(shù)語(yǔ)定義金屬增材制造的不連續(xù)性缺陷術(shù)語(yǔ)。

（3）建立對(duì)于金屬增材制造進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)與不連續(xù)性缺陷檢驗(yàn)的頂層文件或者作出最低的門限值規(guī)定，不同的工藝只做略微調(diào)整。

（4）建立統(tǒng)一的、不依賴于某種特定無(wú)損檢測(cè)方法的質(zhì)量分級(jí)檢驗(yàn)指標(biāo)。

（5）建立通用的、適合一類材料的質(zhì)量分級(jí)檢驗(yàn)指標(biāo)。

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李萬(wàn)青，于雷，秦仁耀，等. HB20514-2018鈦合金構(gòu)件激光直接沉積修復(fù)用粉末規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，2018.

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秦仁耀，于雷，李萬(wàn)青，等. HB/Z 20075-2018結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼激光直接沉積修復(fù)工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)[S]. 北京：中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，2018.

李萬(wàn)青，于雷，孫兵兵，等. HB/Z 20076-2018鈦合金構(gòu)件激光直接沉積修復(fù)工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)[S]. 北京：中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，2018.

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