大型整体金属结构增材制造技术适航验证

大型整体金属结构增材制造技术适航验证

江 武, 刘木君, 郝晓宁, 罗琳胤

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）

摘要：针对民用飞机主承力结构金属增材制造技术适航验证方面存在的问题，开展金属结构增材制造技术适航验证研究。通过增材制造技术适用适航条款分析，给出了民用飞机金属结构增材制造技术适航验证思路，包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数的选取和结构性能的验证，对每项验证方法给出了具体实施途径。以某型号前起落架支柱外筒增材制造A-100超高强度钢为例，给出了大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。

关键词：增材制造；适航验证；材料规范；材料强度性能；结构特殊系数；结构验证doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000078

中图分类号：V250.1 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)02-0090-09

增材制造技术以金属粉末、金属丝材为原材料，以激光、电子束等为热源，将粉末、丝材逐层熔覆沉积，直接由零件CAD 模型完成全致密、高性能、“近终形”复杂金属零件的成形制造，是一种低成本、快速、高效、数字化的先进制造技术，尤其适合于飞机结构大型、高性能、复杂金属结构件和功能件的快速试制，无需模具及锻造工业装备，材料利用率大幅度提高，并具有响应快、成本低、柔性高效等显著特点[1]

。以激光束和电子束作为能量源的增材制造技术，由于二者各自特点的不同，在航空、航天领域都得到协调发展[2]

。

Boeing 公司已在X-45、X-50无人机、F-18、F-22战斗机项目中应用了金属增材制造技术，目前已制定了一套为增材制造项目量身定做的技术成熟度等级指南[3]

。沈阳飞机设计研究所在A-100钢激光直接沉积成形起落架综合验证技术方面开展了充分的研究工作，试制的某型飞机起落架实现了领先试用[4]

。美国联邦航空管理局FAA 批准了GE 公司采用选区激光熔化技术（selective laser melting ，SLM ）制造的一个航空发动机传感器壳体应用于GE-9X 系列商用发动机。Air Bus 公司通过对飞机短舱铰链进行拓扑优化设计，采用金属增材制造技术制造，使

最终制造的零件减重60%，并解决了原有设计所存在的使用过程中高应力集中问题。西北工业大学采用激光立体成形（laser solid forming ，LSF ）技术制造了长达3010 mm 的C919飞机钛合金中央翼1#肋缘条，但尚未实现装机应用。梯度复合化结构是指由不同材料组成的同一构件，均质材料的变形效率大多比较单一，无法实现构件服役对结构性能的要求，采用4D 打印具有3D 打印的工艺优势，可以实现异种材料梯度结构的制造，可以更好发挥异种材料梯度结构的性能优势[5]

。

增材制造技术的鉴定和认证是其广泛应用于关键结构部件的主要环节[6]，涉及增材制造技术成熟度、关键结构材料体系标准和适航验证技术[7]

。本工作针对应用于民用飞机主承力结构的金属增材制造技术适航验证问题，以及大型整体化增材制造结构的应用优势[8]

，依据适航规章要求，逐一开展大型整体金属结构增材制造技术适用适航条款验证分析并给出实施途径，并以某型号前起落架外筒支柱增材制造A-100超高强度钢为应用对象，给出大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。

1 适航条款要求及验证思路

《中国民用航空规章》第25部运输类飞机适航标准CCAR25—R4与增材制造技术相关的条款涉及材料、工艺和结构三个方面，具体条款为CCAR25.571条结构的损伤容限和疲劳评定、CCAR25.601

收稿日期：2018-07-16；修订日期：2018-10-28基金项目：民机科研（MJ-2014-G-28）

通讯作者：江武（1984—），男，硕士，高级工程师，研究方向为飞机结构设计及材料选用，（E-mail ）jiangwu@avicgen 。

2019 年第 39 卷航　空　材　料　学　报

2019，Vol. 39第 2 期

第 90 – 98 页

JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS

No.2 pp.90 – 98

条总则、CCAR25.603条材料、CCAR25.605条制造方法、CCAR25.613条材料的强度性能和材料的设计值和CCAR 25.621条铸件系数。

（1）CCAR25.571结构的损伤容限和疲劳评定

条款主要内容：对可能引起灾难性破坏的每一结构部分应进行损伤容限和疲劳评定。主要验证思路：考虑到增材制造技术所制造的材料尚未建立材料疲劳和损伤容限性能，应通过实验方法确定疲劳和损伤容限材料性能，包括疲劳性能、断裂韧度、裂纹扩展速率和应力腐蚀开裂等，并通过全尺寸零件疲劳和损伤容限性能实验进行产品验证。

（2）CCAR25.601总则

条款主要内容：每个有疑问的设计细节和零件的适用性必须通过实验确定。主要验证思路：考虑到增材制造结构应用于飞机主承力结构案例较少，需对所应用的产品进行实验验证。

（3）CCAR25.603材料

条款主要内容：其损坏可能对安全性有不利影响的零件所用材料规范应建立在实验基础上。主要验证思路：大型整体金属结构属于对飞机安全有不利影响的零件，且尚无满足适航要求的材料规范，需通过实验方法建立增材制造材料规范。

（4）CCAR25.605制造方法

条款主要内容：飞机的每种新制造方法必须通过实验大纲予以证实。主要验证思路：增材制造结构尚无民用飞机主结构应用，所以增材制造技术属于新制造方法，应通过实验方法进行验证。

（5）CCAR25.613材料的强度性能和材料的设计值

条款主要内容：材料的强度性能必须以足够的材料实验为依据（材料应符合经批准的标准），在实验统计的基础上制定设计值。主要性能应具有A/B基准值。主要验证思路：采用经批准的增材制造材料规范，通过实验建立材料的强度性能，并且通过统计方法对实验数据进行分析，并获得A/B基准值。

（6）CCAR25.621铸件系数

条款主要内容：对于关键铸件应取不小于1.25的铸件系数。增材制造技术可能需要参照铸件系数采用特殊系数，属于增材制造技术专用条件的范畴。主要验证思路：增材制造组织、缺陷和性能介于锻件和铸件之间，且更加接近于锻件，而锻件无特殊系数，通过零件性能、缺陷和质量控制对增材制造材料进行评定，确定增材制造结构是否需取结构特殊系数。

根据上述金属结构增材制造技术适用适航条款和验证思路分析，借鉴复合材料、铸件和焊接结构的适航验证经验，为了表明其在材料、工艺和结构方面的适航符合性，可按照图1中的适航验证总体思路对金属结构增材制造技术进行适航验证，包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数选取和结构性能的验证。

2 增材制造材料规范的建立

根据增材制造材料工艺特点以及适航规章要求，增材制造材料规范的建立主要应考虑两个方面的内容，一是基于统计的材料规范建立方法[9]；二是基于增材制造材料新工艺的特殊要求。

2.1 基于统计的材料规范建立方法

根据材料规范建立的一般要求，通常材料规范中包含三方面的技术要求：（1）直接影响材料性能/功能的材料生产工艺要求；（2）直接影响材料性能/功能的材料组成和组织结构；（3）能够实现材料性能全面控制的代表性的材料性能项目。

基于统计的材料规范建立方法核心是通过不同材料性能间的相关性分析来确定哪些性能需列在材料规范中，统计方法可保证设计所使用的性能都得到有效控制。采用的措施包括确定材料性能的接收限，使得被控制的材料性能能够足够高概率（99%）地达到设计将使用的性能。材料性能接收限的确定分几种情况考虑：性能最低值接收限，为性能分布1%概率对应值，如强度性能；性能最高值接收限，为性能分布99%概率对应值，如高强度

图 1 金属结构增材制造技术适航验证总体思路

Fig. 1 General idea of airworthiness verification of metallic structure additive manufacturing technology

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