南極熊深度解析——國外增材制造技術標準分析

結合了數字化設計、制造技術，激光、電子束等高能束流工藝的增材制造技術經過十幾年的發(fā)展，正在走出實驗室步入實際應用，其發(fā)展前景受到美國政府和軍方高度重視，并作為支撐振興美國制造業(yè)國家戰(zhàn)略的主要措施得到政府和軍方大力支持。隨著增材制造技術的日臻成熟，近年來與之相關的標準化工作也日趨活躍。

1 增材制造技術標準的發(fā)展

2002年，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）發(fā)布了第一個增材制造技術標準——宇航材料規(guī)范AMS 4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產品》，以及與該標準配套的宇航材料規(guī)范AMS 4998《Ti-6Al-4V鈦合金粉末》。為了推動軍民融合，上世紀90年代起，美國軍用標準體系中與材料相關的軍用規(guī)范開始轉化為宇航材料規(guī)范AMS。目前，宇航材料規(guī)范已經成為美國軍用航空航天材料標準的主體。增材制造技術宇航材料規(guī)范的頒布，是該技術在美國航空航天領域走向實際應用的重要標志。

2011年，AMS 4999被AMS 4999A代替，新版標準的名稱更改為《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品》，擴大了工藝種類，補充了新的技術要求，完善了質量保證要求等技術內容。 2009年，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）成立了專門的增材制造技術委員會ASTM F-42，下設試驗方法、設計、材料和工藝、人員、術語等分委員會。目前，該委員會包括來自10個國家的100多個成員單位。

ASTM F- 42已經頒布了4項標準，包括術語、文件格式等基礎標準和產品標準，正在制訂 中的標準涵蓋了基礎標準、產品標準和設計指南，構成了較為完整的基礎標準體系和開放的產品標準體系，詳見表1。從標準體系構成上看，該技術委員會注重術語、文件格式、設計指南等基礎標準制訂，這既是增材制造技術領域新概念、新方法數量眾多的反映，也是該技術進入大范圍應用的客觀需要。從正在開展的工作看，近期將會有較多新的產品標準頒布，其中大部分是激光和電子束鋪粉熔覆工藝制造的鈦合金和高溫合金產品，這對我國相關技術的開發(fā)具有一定的借鑒作用。

2011年，國際標準化組織（ISO）也成立了增材制造技術委員會ISO TC 261，下設術語，方法、工藝和材料，試驗方法，數據處理等分委員會/工作組。ISO TC 261目前有14個成員國和6個觀察員國，并與ASTM - F42在制訂增材制造技術標準方面開展了合作，正在開展工作的增材制造標準項目見表1。目前，ISO TC 261的一項工作是ISO 17296《增材制造——快速技術（快速原型制造）》的制訂工作。

該標準包括術語，方法、工藝和材料，試驗方法，以及數據處理等4個部分，分別處于新項目建議（NP）和委員會草案（CD）等標準制訂的前期階段。需要指出的是，快速原型制造是當前增材制造技術應用的主要方向，但增材制造技術應用范圍不限于快速原型制造。ISO TC 261正在開展的另一部分工作是將ASTM已頒布的增材制造技術術語、文件格式等3項基礎標準轉化為ISO標準。這3項標準已經進入到成員國對標準草案（DIS）進行質詢和對最終草案（FDIS）進行投票的階段。但是，ISO TC 261未對ASTM 已經頒布的增材制造產品標準ASTM F2924 - 12進行轉化。

2 AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品》分析

2.1  適用范圍和工藝
Ti-6Al-4V是航空航天領域應用最廣泛的中等強度鈦合金，我國對應的材料牌號是TC4。 直接沉積是送料（粉、絲）與熔化同步進行的增材制造工藝。 標準規(guī)定的產品用途為機械加工毛坯或鍛造毛坯。直接沉積的增材制造的鈦合金產品一般在機械加工后使用，但在美國也有用于鍛件毛坯再進行模鍛改進組織和性能的相關研究報道。 標準規(guī)定的填充材料為粉末和絲材兩種，基體材料包括Ti-6Al-4V鈦合金厚板、棒材、鍛件、型材、熱等靜壓精鑄件和冷床爐一次熔煉板材等品種。與AMS 4999只有厚板一個品種相比，適用的基體材料范圍更廣。 標準中規(guī)定的熔化熱源為激光和電子束兩種，新增加了電子束工藝，表明電子束增材制造工藝也已經成為一種成熟的工藝。 標準規(guī)定了產品的退火和熱等靜壓工藝制度，以及退火或熱等靜壓后的時效制度。標準規(guī)定的Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品的退火加熱溫度為900℃~925℃，而變形產品一般采用700℃~790℃范圍內加熱的普通退火制度。標準增加了沉積工藝過程中制件的消除應力退火制度及要求，反映了在控制殘余應力、減少變形方面工作的進展。

表2

2.2  組織性能要求

標準規(guī)定Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品的組織為β相基體上分布針狀α相組織。同時明確規(guī)定，只要性能符合要求，沉積區(qū)允許存在柱狀晶組織。  新的標準AMS 4999A和原標準AMS 4999對拉伸性能的要求列在了表2中。為了便于比較，表2中還列出了AMS 4928Q《Ti-6Al-4V鈦合金退火棒、絲、鍛件、環(huán)和拉拔型材》標準中規(guī)定的變形產品的拉伸性能要求。表中材料性能取樣方向的規(guī)定見圖1。 由表2可見，標準的性能要求有較大變化。一是原標準將X向性能歸為一組，性能要求最高；Y向和Z向性能歸為一組，性能要求較低。新的標準將X向和Y向性能歸為一組，Z向單獨歸為一組。從性能指標要求上看，X向拉伸強度變化較小， Z向拉伸強度和屈服強度分別提高了20MPa。

按現(xiàn)行的AMS材料標準關于拉伸性能指標要求的規(guī)定，材料拉伸強度、屈服強度和延伸率等性能指標要求采用統(tǒng)計計算分析得到的A基值。由于缺少數據，原標準AMS 4999中，Y向性能采用的是保證值（S值）。通過數據的積累，在新的標準中Y向性能采用了A基值。由于直接沉積產品沒有塑性加工引起的各向異性，新的標準關于拉伸性能要求的規(guī)定揭示了，在X向和Y向構成的沉積平面上，拉伸性能沒有明顯的方向性。

由于標準規(guī)定，Z向拉伸性能試驗的試樣應當包括基體材料與沉積層的界面，因此Z向拉伸性能與X向和Y向的差別，可能更多的是反映了基體材料與沉積層界面的影響。 新的標準和原標準性能指標的差異，可能也反映了工藝進步和電子束工藝方法引入等因素對力學性能指標的綜合影響。 與表2中列出的鍛件等變形產品的拉伸性能指標要求相比，直接沉積產品的塑性指標延伸率的要 求較低。 標準中新增加了斷裂韌度要求：KIC不低于66MPa-mm1/2、KIVM不低于82.5MPa-mm1/2。從斷裂韌度KIC指標要求看， Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積 產品的斷裂韌度與常規(guī)Ti-6Al-4V鈦合金模鍛件的斷裂韌度處于相同水平。

2.3  內部質量要求
關于內部質量要求，原標準只有一條不允許有對使用有害的外來材料、不完整和孔洞等缺陷的定性規(guī)定。新的標準中增加了超聲波檢查和射線檢查的內容，完善了對內部質量的要求。 標準規(guī)定產品的超聲檢查按AMS2631《鈦和鈦合金棒材和坯料超聲波檢查》標準沿Z向進行，產品厚度6mm~102mm應當滿足A1級要求就（單個缺陷當量平底孔直徑不超過1.2mm），厚度102 mm~152mm應當滿足 A級要求（單個缺陷當量平底孔直徑不超過2mm）。 標準規(guī)定產品的射線檢查按ASTM E 1742《射線檢查》標準，在粗加工或精加工狀態(tài)的沉積部分上進行。標準規(guī)定產品上不允許有裂紋和未完全熔化，以及對孔洞和夾雜缺陷的要求：單個孔洞和夾 雜的最大尺寸不能超過1.5mm和0.3倍厚度。值得注意的是，標準要求射線檢查在熱等靜壓前進行，只檢查5個連續(xù)生產批次。因此，可以認為射線檢查主要目的是為了驗證直接沉積工藝。

與變形產品只進行超聲檢查、鑄造產品只進行射線檢查不同，標準規(guī)定直接沉積產品兩項檢查都需要進行，這反映了直接沉積產品的組織和缺陷的特點，對保證航空航天產品使用安全有積極意義。

2.4  質量控制要求
標準新增加了工藝和供應商批準、沉積參數批準、沉積/幾何參數批準、制造大綱批準和固化生產工藝等工藝控制要求。 工藝和供應商批準在開始進行硬件的試制前進行，由產品采購方對熔覆的熱源、熱源參數范圍、填充材料、填充方法、氣氛、沉積路徑實現(xiàn)和粉末送料方法等工藝過程，以及填充材料的供應商進行批準。標準規(guī)定制粉工藝變化應重新進行工藝批準。標準還規(guī)定了通過工藝和供應商批準產品應符合的性能和分布要求，以及所需的試驗批次和數量。

沉積參數批準和沉積/幾何參數批準在開始進行產品的試制前進行，其中，沉積參數批準針對的是不同的沉積工藝路徑，沉積/幾何參數的批準針對的是某個產品的具體沉積工藝過程。 沉積參數批準的沉積路徑由一次沉積的寬度、多次沉積的寬度和相鄰兩次沉積間的重疊面等參數定義。每個沉積路徑包括粉密度、送料速度、熔池移動速度、沉積相鄰兩層之間的最小時間間隔、粉的種類和供應商等參數。標準規(guī)定應有足夠數量的零件，以覆蓋工藝參數的上下限和中間值。為了批準沉積參數，除了要檢查拉伸性能外，還需要檢查應變疲勞性能。

沉積/幾何參數包括下列沉積參數和幾何特征：粉密度，送料速度，熔池移動速度，沉積相鄰兩層之間的最小時間間隔，基體材料厚度，沉積長度、高度和寬度，相對基體材料的沉積角度，沉積路徑，不同沉積路徑間相交的種類、方向和角度，沉積之間相交的長度、高度和寬度等。標準針對普通沉積和沉積之間的相交，分別規(guī)定了批準沉積/幾何參數需要進行的拉伸試驗和應變疲勞試驗的批次和數量要求。

標準規(guī)定所有直接沉積產品應當按由供應商準備、采購方批準的固化工藝和制造大綱進行生產。制造大綱應當與認證產品的生產實際相符，并包括下列固化的工藝元素：基體材料規(guī)范、尺寸和準備要求，沉積工具/工裝，填充材料來源和控制要求，送料的方法和控制程序，預熱溫度和時間，產品的 CAD模型和包括機器編碼的CAM文件，零件沉積工藝參數和控制范圍，超聲波檢查方法，性能試驗取樣和試驗頻次要求，熱處理工藝參數和工具/工裝，熱等靜壓工藝參數和工具/工裝，尺寸檢查要求等。對固化工藝任何有目的的偏離，在生產實施前，供應商應當向采購方提交申請，以獲得批準。

采購方應當定義保證工藝和生產計劃的更改不對結構完整性和材料性能發(fā)生有害影響的試驗要求。 材料和零件加工過程可控是保證飛機零件質量和可靠性的重要措施。增材制造技術工藝過程與傳統(tǒng)鑄造和變形工藝有很大差異，如何表征和認證沉積工藝過程對該項技術能否在航空產品上實現(xiàn)大范圍工程應用具有重要意義。AMS 4999A標準中關于沉積參數和沉積/幾何參數的定義，給出的相關參數控制要求，對增材制造技術在我國飛機產品上推 廣應用具有重要借鑒作用。

3  ASTM  F2924 - 12《鋪粉熔覆增材制造Ti - 6Al - 4V標準規(guī)范》分析

3.1  適用范圍、分類和工藝
標準適用于Ti - 6Al - 4V鈦合金鋪粉熔覆工藝產品。與送料與熔覆同步進行的直接沉積工藝不同，鋪粉熔覆工藝是在熔覆開始前鋪好一層20μm~100μm厚的金屬粉末，然后用激光束或電子束等點熱源將鋪好的粉有選擇性的按順序完全熔化、凝固，通過這一過程的循環(huán)完成零件的沉積過程�，F(xiàn)有鋪粉熔覆工藝有：選區(qū)激光熔化SLM®，金屬直接激光燒結DMLS™和電子束熔化EBM®等。

與直接沉積工藝生產的產品相比，鋪粉熔覆工藝可以獲得更高的表面質量，因此也稱為精密增材制造技術。但這種工藝的效率相對較低。 標準規(guī)定鋪粉熔覆產品一般用于性能要求與鍛造和軋制產品相同的部件。為了得到所需的表面粗糙度和尺寸精度，產品一般需要經過機加、打磨等后續(xù)的加工處理，但也可以不經后續(xù)加工處理直接使用。 標準中規(guī)定的熔化熱源分為激光和電子束兩 種。 鋪粉熔覆工藝的填充材料為粉末。由于熔覆工藝過程中，鋪好的粉中只有一部分發(fā)生熔化、凝固，有大量的粉不參與熔化過程，稱為用過的粉。標準規(guī)定允許用過的粉作為返回粉使用，并規(guī)定了返回粉的篩選和檢查方法，返回粉與新粉混合的比例，返回粉使用次數等技術要求。 標準只規(guī)定了產品熱處理的一般要求，未規(guī)定具體的工藝參數，但明確規(guī)定了熱等靜壓工藝的適用范圍和具體工藝制度。

3.2  產品分類和組織性能要求
標準規(guī)定了鋪粉熔覆增材制造Ti - 6Al - 4V鈦合金產品的類別：

1類部件用于不要求熱等靜壓的安全關鍵部位；
2類部件用于要求熱等靜壓的安全關鍵部位；
3類部件用于性能關鍵部件；
4類部件用于概念模型和原型件。
標準規(guī)定產品的顯微組織應當是α相和β相組成的兩相組織。α相可以是針狀、片層狀、等軸、或網籃狀組織。允許初生β晶界上有連續(xù)的α相。柱狀晶組織是可接受的。

標準規(guī)定的拉伸性能要求見表3。由表3可見，對1類、2類和3類部件，X向、Y向和Z向的拉伸性能要求完全相同。在表2中列出的AMS 4999A標準性能要求中， X向和Y 向的性能要求與Z向有較大差異。造成這兩個標準技術要求差異的原因可能是，ASTM F2924 – 12標準規(guī)定的Z向拉伸性能試驗用的試樣全部取自鋪粉熔覆工藝獲得的沉積材料，而AMS 4999A標準規(guī)定Z向性能應當包括基體材料與沉積材料的界面。 對比表2和表3中的數據可見，ASTM F2924 – 12標準規(guī)定的增材制造產品的性能要求與Ti - 6Al - 4V鈦合金模鍛件的性能要求基本相同，判斷其拉伸性能指標可能是參照模鍛件標準規(guī)定的，而不是由試驗數據統(tǒng)計計算獲得的。標準未規(guī)定斷裂韌度指標要求，只規(guī)定了檢查方法，具體指標要求由供需雙方協(xié)商。

3.3  內部質量要求
在內部質量要求方面，標準只規(guī)定了射線檢查執(zhí)行的檢查方法標準，合格判據、檢查部位和抽樣方法等需由供需雙方協(xié)商確定。標準未規(guī)定超聲波檢查要求。

3.4  質量控制要求
標準規(guī)定1類、2類和3類部件應當有制造大綱。制造大綱包括以下內容：設備、制造控制系統(tǒng)；包括軟件版本、制造控制系統(tǒng)版本在內的設備的認證；認證所需的試樣數量、取樣方法等；填充材料；沉積室環(huán)境，設備狀態(tài)，認證過設備的標定信息；批準的沉積工藝；保證數字化文件可追溯性的措施；沉積平臺選擇，設備清洗，粉處理等準備工序；對設備操作人員的要求；設備運行的日志文件；影響部件質量和保證工藝有效控制的工藝參數范圍；每個沉積循環(huán)的部件數量，以及它們在平臺上的方向、位置、支撐結構；工藝步驟；后處理工藝的順序，執(zhí)行的規(guī)范等后處理工藝流程；退火、熱等靜壓、熱處理和時效等熱工藝要求；供需雙方協(xié)商一致的檢驗要求等。

4 AMS 4999A與ASTM  F2924 – 12比較
兩項增材制造產品標準都是用于Ti - 6Al - 4V鈦合金的。由沉積工藝方法不同帶來的技術要求上的差異在前面已經做了描述。除了這些差異外，由于兩項標準分別由不同的標準化組織制定，因此在標準構成上也有明顯區(qū)別。

4.1  標準的適用性
AMS宇航材料規(guī)范是針對航空航天領域用材料的產品標準，其技術要求是各類材料標準中較為全面和嚴格的。AMS 4999A標準充分反映了這一特點，對產品的技術和質量控制要求嚴格、具體、可操作性強。標準除了有成分、組織和常規(guī)拉伸性能 要求外，對斷裂韌度和疲勞性能也有明確要求，并規(guī)定了超聲波檢查和射線檢查的方法和合格判據等內部質量要求。在質量控制方面，標準規(guī)定了多個層次的詳細認證要求。該標準充分反映了航空航天材料的應用要求。 ASTM標準是美國國家標準的主要組成部分，覆蓋的應用領域廣泛。為了適 應不同的使用要求，ASTM F2924 – 12標準對沉積產品進行了分類，并根據分類對產品性能、內部質量、工藝和質量控制等規(guī)定了不同的要求。同時，標準中的大多數技術要求由產品需要供需雙方協(xié)商確定，規(guī)定不夠具體，可操作性不強。

4.2 標準的完整性
由于ASTM下設有增材制造技術委員會，并制定了增材制造技術相關的術語、文件格式等基礎標準，對該委員會頒布的產品標準形成了有效支撐，因此ASTM F2924 – 12標準在使用中還需要參考這些相關標準。正是由于有專門的基礎標準來規(guī)定與增材制造技術相關的基礎技術，ASTM增材制造技術標準體系對組批的定義和方法、復雜形狀產品坐標系、控制沉積工藝過程的機器代碼等的規(guī)定更加系統(tǒng)、完整。

總結
我國增材制造技術處于快速發(fā)展中。在金屬直接沉積工藝方面，鈦合金激光快速成形大型關鍵、重要承力部件已經在飛機上使用，工藝和應用技術整體上處于國際領先水平。在鋪粉熔覆工藝方面，采用激光精密增材成形工藝研制出了飛機用復雜、大型空間曲面多孔鈦合金構件。 但是，我國增材制造技術標準的發(fā)展落后于國外，沒能充分反映國內技術發(fā)展的水平。已經在飛機上裝機使用的增材制造技術產品均采用各企業(yè)的技術條件和規(guī)范。由于缺少對沉積工藝過程的表征、控制和認證的規(guī)定，技術的大范圍推廣使用受到了制約，已有的技術優(yōu)勢并沒有能夠迅速轉化為產品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢。因此迫切需要開展增材制造技術的標準化工作。

為了加快我國增材制造技術國家標準的制訂工作，需要盡快成立增材制造全國標準化技術委員會，或在全國航空器標準化技術委員會下成立相，項目團隊從流程的測量手段、監(jiān)控手段、監(jiān)控頻率和失去控制應怎么做等方面進行了策劃，制定了詳細的流程控 制計劃。另外，控制階段進行了FMEA分析，對于高風險事件均制定了改進計劃，對流程可能出現(xiàn)缺陷或失效的情況提前做好了充分的準備和預防，以保證流程控制能力。 關工作組，負責組織開展增材制造技術標準體系規(guī)劃，參加國際標準化組織（ISO）增材制造技術委員會ISO TC 261的活動，開展相關基礎標準的制訂或轉化工作。 在增材制造技術產品標準化方面，可以發(fā)揮中航工業(yè)相關研究所和工廠在TA15、TC4、TC18鈦合金激光快速成形和激光精密增材成形工藝上的技術和應用優(yōu)勢，借鑒國外相關產品標準在內部質量和工藝控制方面的要求，開展相關集團標準的制訂工作，強化對增材制造產品的質量和工藝過程控制，通過標準化活動促進增材制造技術的推廣應用，加快技術優(yōu)勢向產品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢的轉化。

編輯：南極熊
作者：景綠路  （中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所）
延伸閱讀：
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