綜述：航空航天領域的金屬增材制造（四）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

金屬增材制造可被應用于多領域，本綜述著重介紹其在航天航空領域的應用、該領域應用此技術的優(yōu)勢所在、現(xiàn)有應用存在的挑戰(zhàn)、該領域未來發(fā)展的潛力以及對該技術應用的展望。此為第三部分（即最后一部分），本文主要介紹該技術的挑戰(zhàn)、機遇等！

4.挑戰(zhàn)和機遇
4.1.概述
在航空航天應用中，金屬增材制造的技術和商業(yè)優(yōu)勢潛力巨大，這從前面幾節(jié)所述的四大類應用中可以明顯看出。但與此同時這些技術在航空航天應用中也面臨特殊的挑戰(zhàn)。本節(jié)重點介紹當前的主要挑戰(zhàn)和未來的機遇。

4.2.認證和標準
當前的一個主要挑戰(zhàn)是航空航天工業(yè)缺乏金屬增材制造的技術標準和認證方法。過去十年增材制造技術快速增長，造成了技術標準和認證方面的滯后，亟待完善，從而在整個行業(yè)達成一致，以確保航空航天領域應用的增材制造組件的可重復性、可靠性和質量。

▲圖1 通過AM生產的具有復雜幾何形狀的金屬零件:(A) AlSi10Mg分配器外殼和(B)Oerlikon AM 生產的大型散熱器。

歐洲聯(lián)盟航空安全局(EASA)、美國航天局、歐洲航天局和聯(lián)邦航空管理局等主要管理機構正在實施越來越嚴格的測試協(xié)議和認證，這些協(xié)議和認證是在關鍵任務和非關鍵應用中使用航空航天部件所必需的。其過程通常涉及生產過程的可重復性和制造組件質量的一致性，這兩者目前在金屬增材制造行業(yè)都是相當大的挑戰(zhàn)，尤其是在大量生產組件時。

與對傳統(tǒng)工藝材料的全面理解以及存在的重要數(shù)據(jù)庫形成鮮明對比的是增材制造缺乏大的數(shù)據(jù)庫和一致的屬性材料。增材制造組件認證過程的主要挑戰(zhàn)是缺乏先驗知識（之前無相關經驗）、缺乏對增材制造過程的完整理解、缺乏對其詳細的特性的了解、缺乏屬性數(shù)據(jù)庫以及關于故障機制的數(shù)據(jù)。目前，國際標準化組織（ISO）和美國材料試驗學會（American Society of Testing Materials-ASTM）制定了一系列增材制造標準（如下表），這些標準在不斷發(fā)展優(yōu)化，新的標準也在不斷出現(xiàn)，以適應航空航天領域增材制造應用的認證和設計要求。

▲圖2  上圖—國家增材標準委員會組成，中—NASA當局及其總承包商的增材制造制品的展示，下—ASTMF42及ISO TC261的增材標準框架圖

ISO/ASTM 52942–20	航空航天應用中使用的激光金屬粉末床熔化設備的合格操作標準
ASTM F3434-20	Installation/Operation and Performance Qualification (IQ/OQ/PQ) of Laser-Beam Powder Bed Fusion Equipment for Production Manufacturing
ISO/ASTM 52941–20	Acceptance Tests for Laser Metal Powder-Bed Fusion Machines
ISO/ASTM AWI 52,937 *	Qualification of Designers
ISO/ASTM CD 52,920 *	Quality Requirements for Industrial Additive Manufacturing Sites
ISO/ASTM AWI 52,935 *	Qualification of Coordinators for Metallic Production
ISO/ASTM CD TS 52,930 *	Installation, Operation and Performance (IQ/OQ/PQ) of PBF-LB Equipment
ISO/ASTM CD 52926–5 *	Qualification of Machine Operators for DED-ARC
ISO/ASTM CD 52926–4 *	Qualification of Machine Operators for DED-LB
ISO/ASTM CD 52926–3 *	Qualification of Machine Operators for PBF-EB
ISO/ASTM CD 52926–2 *	Qualification of Machine Operators for PBF-LB
ISO/ASTM CD 52926–1 *	General Qualification of Machine Operators
NASA-STD-6030	Additive Manufacturing Requirements for Crewed Spaceflight Systems
SAE AMS7032	Additive Manufacturing Machine Qualification
NASA-SPEC-6033	Additive Manufacturing Requirements for Equipment and Facility Control
NASA MSFC-SPEC-3716	Standard for Additivity Manufactured Spaceflight Hardware by Laser Powder Bed Fusion of Metals
NASA MSFC-SPEC-3717	Specification for Control and Qualification of Laser Powder Bed Fusion Metallurgical Processes

注：*為正在進行中的認證標準

4.3.結構完整性
結構完整性對于航空航天關鍵任務的應用至關重要，包括高低溫熱循環(huán)模式下的動態(tài)載荷。對動態(tài)載荷的疲勞響應是增材制造在航天應用中特別關注的問題。金屬增材制造構件的靜態(tài)機械性能研究相對較好，比如強硬度已經能相互匹配，并超過傳統(tǒng)制造材料的性能。

▲圖3：不同文獻中LPBF IN625的機械性能數(shù)據(jù)

然而，與此相對的是諸如疲勞和蠕變等動態(tài)機械性能的研究相對較少，航空航天公司之間仍然缺乏測試數(shù)據(jù)報告�，F(xiàn)有的增材制造文獻中關于疲勞的數(shù)據(jù)表明，與常規(guī)制造工藝相比，孔隙率、殘余應力和表面粗糙度是高循環(huán)疲勞區(qū)(high cycle fatigue-HCF)和低循環(huán)疲勞區(qū)(low cycle fatigue-LCF)試驗場景中最大的問題，總體疲勞性能通常不達標。我們也欣喜地看到這些問題已經有所緩解，現(xiàn)階段可在最小化缺陷的情況下提高部件性能，并實現(xiàn)與傳統(tǒng)制造技術相當?shù)臋C械性能(包括疲勞性能)。

▲圖4 在熱等靜壓和后續(xù)加熱的輪廓孔隙率樣品中觀察到起泡效應

組裝過程中的殘余應力可能導致零件翹曲、開裂和機械性能下降，而這取決于所用材料、所用工藝參數(shù)、組裝室的幾何形狀和方向、熱歷史等因素。類似地，孔隙度的形成很大程度上依賴工藝參數(shù)以及構建過程中的局部變化。金屬增材制造中孔隙形成的各種機制已被確定，正是這些機制導致缺乏熔合和小孔孔隙，其程度和三維分布取決于各種因素。孔隙的存在降低了材料的延展性，但在疲勞載荷中尤其重要，因為孔隙會成為應力集中區(qū)，從而形成裂紋，導致過早失效。成品部件的表面粗糙度通常是不規(guī)則的，并且隨著建造方向、工藝參數(shù)和其他因素而變化——這些因素會造成應力集中區(qū)和裂紋。所獲得的材料微觀結構通常是各向異性的，并且紋理取向取決于構建方向，從而影響機械性能（如圖5）。需要適當?shù)暮筇幚頍崽幚砗蜔岬褥o壓工藝（(HotIsostatic Pressing,簡寫為HIP)來改善這一點。

▲圖5 研究樣本的細節(jié):a)樣本的形狀(“成品”表面是藍色的，帶點劃線的表面是加工過的表面)；b)樣品系列A-E支架位置方向

▲圖6 VBN Components公司生產的增材制造齒輪滾刀(長275毫米，直徑100毫米)表面精加工的影響:(A)打磨前和(B)打磨后

所有這些制造缺陷仍然需要積極緩解和認識的不斷深化，因此需要在增材制造工藝的所有階段進行全鏈條質量控制，從粉末原料到環(huán)境氣體純度、工藝參數(shù)控制、工藝優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)控以及每個單獨工藝和所需原料組合的后處理。即使工藝和材料質量最佳，仍可能出現(xiàn)意外錯誤，需要進行某種加工和進一步的后處理（圖7）。所有這些操作都會增加生產組件的成本，但繞過這些步驟會導致性能和可靠性的損失。熱等靜壓已經在航空航天中廣泛采用，它對于封閉孔隙、均勻化微觀結構和提高部件的延展性非常有用。這也導致金屬增材制造部件的疲勞性能大大提高，導致這類部件在航空航天制造中廣泛采用。

▲圖7 不同后處理后鋁硅合金樣品的力學性能與疲勞極限的相關性

4.4.增材制造設計

▲圖8 基于粉末的DED-L采用沒有粉末進料模擬的熔池模型計算溫度場和速度場:(a)Wei等人的模型，(b)Manvatkar等人的模型，(c)Knapp等人模型，(d)Gan等人的模型，(e)Wirth報道的基于COMSOL Multiphysics的模型。(f)Wei等人的模型

增材制造設計 （Design for AM-DfAM）可用于優(yōu)化設計，從而獲得最佳制造質量，最大限度地減少支撐結構和后處理。這也可以結合構建模擬來確定零件在構建平臺上的最佳方向，幫助確定構建策略以最小化殘余應力和由此產生的變形，并最小化支撐結構。這種模擬和DfAM方法很耗時，并且依賴于AM工程師的專業(yè)技能和所用計算機的計算能力，但這些是非常必要的。模擬還需要明確的參數(shù)輸入，如合金的機械和液相線和固相線溫度下的熱物理性質，而這些參數(shù)相對而言不易獲得。

▲圖9 傳熱傳質以及流體流動對于理解AM工藝和制造金屬部組件的中心作用

雖然前文討論了TO和晶格結構，但在實際應用中仍存在一些挑戰(zhàn)。因為這些技術通�；�于一組已知的輸入和約束來優(yōu)化設計，所以必須很好地理解航空航天部件的載荷路徑。這些載荷路徑以及組合的結構、熱力、動態(tài)和綜合環(huán)境在航空航天應用中并未被明確。這就導致其設計通常需要高設計余量來解決這些不確定性。

▲圖10 使用各類型粉末的PBF模擬的熔池和粉末顆粒:(a) PBF-L由ALE3D，(b) PBF-L由OpenFOAM，(c) PBF-EB由LBM，(d) PBF-L由Flow-3D，(e) PBF-EB由Flow-3D，(f) PBF-L由Fluent

4.5.粉末去除和后處理
后處理是金屬AM中經常被低估的關鍵步驟。對于具有精細特色尺寸的復雜零件，捕獲的粉末可能是一個難以去除的難題。由于安全問題，處理這種粉末的難度就相應加大了。典型的方法包括旋轉運動，從表面空腔和通道中敲打和吹出粉末。在CT掃描中可以觀察到被捕獲的粉末，但是如果在熱處理之前不去除，它們可能會被永久捕獲。

進一步的后處理步驟可能涉及載體去除、表面拋光和其他熱處理。對于所有后處理步驟，必須小心防止損壞(例如移除支架時)，以確保零件符合設計且未有表面損壞。隨著AM零件復雜性的增加，表面拋光、機械加工或其他加工方法進一步受到挑戰(zhàn)，必須在工藝早期進行精心設計。

4.6.無損檢測（Non-Destructive testing-NDT)
由于這種種挑戰(zhàn)，無損檢測被用于所有由金屬AM制造的關鍵飛行部件中。無損檢測對于識別關鍵部件中的缺陷(如孔隙或裂紋)非常重要，可以使用多種方法實現(xiàn)，包括射線檢測、染色滲透、渦流、超聲波檢測等。AM零件的這種無損檢測也面臨著一些新挑戰(zhàn)，比如復雜的零件需要更優(yōu)化的無損檢測方法，而且一些傳統(tǒng)工具與這種復雜的零件并不相容。此外，固有的表面粗糙度降低了一些傳統(tǒng)無損檢測工具的靈敏度。

盡管有這些挑戰(zhàn)，但有一種方法已經被證明足夠”優(yōu)秀“——x光計算機斷層掃描（X-ray computed tomography-CT)。這種方法可成功用于檢查裂紋、孔隙、捕獲的粉末、設計幾何形狀中的偏差、熱處理引起的翹曲等。該方法的一個優(yōu)勢就是在不同時間進行多次掃描，它能夠提供零件隨時間變化的各種信息，比如裂紋形成或磨損程度或可能發(fā)生的其他損壞的信息。這種方法提供的尺寸評估可用于評估進一步的適用性，甚至提供預期壽命的預測。

▲圖11  CT揭示的工藝參數(shù)對激光粉末床熔化孔隙率的影響

該技術的主要限制是大型零件、厚壁部件的分辨率相對較低，銅等合金所帶來的挑戰(zhàn)，以及所涉及的時間和成本。此外，一些金屬對x光的吸收性很高，使得它們的CT大部分都會無效。在這些情況下，建議使用較小的試樣來檢查工藝優(yōu)化條件，與較大零件一起構建的試樣可以很好地表明其質量。對于較大的零件，使用更高能量的X射線源在技術上是可行的，但這些射線源不太普遍。

由于上述原因，現(xiàn)在許多流程監(jiān)控工具正在開發(fā)之中，以在過程中做出改進而不是過程后再去進行缺陷識別。

5.結論
這篇綜述展示了許多金屬AM在航空航天應用中的成功例子。各種AM技術被用于航空航天應用，其中最受歡迎的是L-PBF和DED。DED用于構建量大的組件，除構建組件外，還可用于修復現(xiàn)有組件。L-PBF是應用于航空航天領域最為廣泛的，它能夠以高分辨率生產具有復雜幾何形狀的全致密化部件，具有小到中等的構建體積（圖12）。并且金屬AM在航空航天中的大多數(shù)應用都顯示出了成本降低和生產時間縮短的優(yōu)勢。

▲圖12 洛克希德馬丁公司最大的衛(wèi)星新坦克配備了一個三維印刷圓頂，圖中一名工程師在該公司位于丹佛的太空設施檢查三維印刷圓頂原型。最終的圓頂直徑為46英寸，足夠容納74.4加侖的液體

然而，金屬AM面臨零件認證、獨特的質量控制要求、低批量生產率、使用的材料有限、后處理挑戰(zhàn)、潛在的疲勞性能降低、供應鏈成熟度不夠、機器成本高以及生產功能組件所需的專業(yè)性知識較多等挑戰(zhàn)。許多懸而未決的研究問題仍然存在，在不久的將來或許會加強對這些問題的理解、并進一步優(yōu)化發(fā)展。

下面列出了當前發(fā)展的最重要領域：
• 為航空航天應用開發(fā)的新型合金
• 用于數(shù)字孿生和精確缺陷識別的原位監(jiān)測
• 用于識別風險的構建模擬
• 空間和非地面AM
• 蜂窩建筑結構(晶格)的更廣泛使用
• 拓撲優(yōu)化和混合熱力分析優(yōu)化等技術的使用   
• 多功能組件，如集成電子器件和AM工藝中的傳感器

▲圖15 重要出版物中所討論的航天航空領域AM相關的話題

未來重要的發(fā)展領域包括新型定制合金的應用、雙金屬和多金屬加工和表征、詳細的工藝-結構-性能理解、AM材料數(shù)據(jù)庫、工藝認證、設計優(yōu)化和工藝模擬。TO的應用和晶格結構的使用具有輕質化潛力，這也是航空航天的重要要求。在這兩種情況下，對這種結構的設計和成功制造的深入理解會導致設計越來越復雜的部件可以不斷改進和優(yōu)化。TO已經在整個航空航天領域有所應用，強調部件的輕量輕質化。晶格結構具有獨特和精確設計的特性，如能量吸收特性、重量輕和傳熱特性，在航空航天應用的設計改進方面顯示出很大的潛力，有望在不久的將來成為航空航天應用研究的熱門課題。這些優(yōu)化的幾何形狀不僅可提升質量，還可以支撐結構或懸垂區(qū)域最小化與最少化，從而提高表面質量并最小化缺陷形成。通過找到最佳方向和突出潛在熱積聚的區(qū)域，構建模擬有望在優(yōu)化構建質量方面發(fā)揮越來越重要的作用，這可以為設計過程提供更多有效信息。

雖然TO和晶格結構的潛力可用于減輕質量，但除了綜合載荷之外，還需要對機械和熱載荷路徑有更好的理解，以確保該技術得到適當應用，并保證任務安全、成功完成。這是另一個研究領域了。正如這里所強調的，金屬AM在航空航天領域的主要優(yōu)勢是降低成本和交付周期。質量減少也是優(yōu)化設計或使用多種合金的一個重要特色，但是這些技術需要深入理解，其性能也需要被更好地定義。

此外，組件整合是該行業(yè)的一大優(yōu)勢。金屬AM中固有的零件復雜性允許組件內部的高復雜性，包括傳熱應用的通道和高表面積。AM也在許多大規(guī)模應用中得到了證明，因此規(guī)模將不再是一個限制。金屬AM在航空航天中的這些優(yōu)勢為該領域更廣泛地采用這一技術提供了巨大的潛力，這將進一步推動待克服的挑戰(zhàn)一個個被攻克。

文章來源：Metal additive manufacturing in aerospace: A review,Material and Design,Elsevier
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008


參考資料：
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