綜述：航空航天領(lǐng)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(yīng)用于多領(lǐng)域，本綜述著重介紹其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用、該領(lǐng)域應(yīng)用此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在、現(xiàn)有應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)、該領(lǐng)域未來發(fā)展的潛力以及對(duì)該技術(shù)應(yīng)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(shù)的挑戰(zhàn)、機(jī)遇等！

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

4.2.認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)前的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是航空航天工業(yè)缺乏金屬增材制造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法。過去十年增材制造技術(shù)快速增長(zhǎng)，造成了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方面的滯后，亟待完善，從而在整個(gè)行業(yè)達(dá)成一致，以確保航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的增材制造組件的可重復(fù)性、可靠性和質(zhì)量。

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

歐洲聯(lián)盟航空安全局(EASA)、美國(guó)航天局、歐洲航天局和聯(lián)邦航空管理局等主要管理機(jī)構(gòu)正在實(shí)施越來越嚴(yán)格的測(cè)試協(xié)議和認(rèn)證，這些協(xié)議和認(rèn)證是在關(guān)鍵任務(wù)和非關(guān)鍵應(yīng)用中使用航空航天部件所必需的。其過程通常涉及生產(chǎn)過程的可重復(fù)性和制造組件質(zhì)量的一致性，這兩者目前在金屬增材制造行業(yè)都是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，尤其是在大量生產(chǎn)組件時(shí)。

與對(duì)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(duì)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(rèn)證過程的主要挑戰(zhàn)是缺乏先驗(yàn)知識(shí)（之前無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)）、缺乏對(duì)增材制造過程的完整理解、缺乏對(duì)其詳細(xì)的特性的了解、缺乏屬性數(shù)據(jù)庫以及關(guān)于故障機(jī)制的數(shù)據(jù)。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（American Society of Testing Materials-ASTM）制定了一系列增材制造標(biāo)準(zhǔn)（如下表），這些標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展優(yōu)化，新的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷出現(xiàn)，以適應(yīng)航空航天領(lǐng)域增材制造應(yīng)用的認(rèn)證和設(shè)計(jì)要求。

▲圖2  上圖—國(guó)家增材標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)組成，中—NASA當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)框架圖

ISO/ASTM 52942–20	航空航天應(yīng)用中使用的激光金屬粉末床熔化設(shè)備的合格操作標(biāo)準(zhǔn)
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(jìn)行中的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

4.3.結(jié)構(gòu)完整性
結(jié)構(gòu)完整性對(duì)于航空航天關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用至關(guān)重要，包括高低溫?zé)嵫�環(huán)模式下的動(dòng)態(tài)載荷。對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的疲勞響應(yīng)是增材制造在航天應(yīng)用中特別關(guān)注的問題。金屬增材制造構(gòu)件的靜態(tài)機(jī)械性能研究相對(duì)較好，比如強(qiáng)硬度已經(jīng)能相互匹配，并超過傳統(tǒng)制造材料的性能。

▲圖3：不同文獻(xiàn)中LPBF IN625的機(jī)械性能數(shù)據(jù)

然而，與此相對(duì)的是諸如疲勞和蠕變等動(dòng)態(tài)機(jī)械性能的研究相對(duì)較少，航空航天公司之間仍然缺乏測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)告�，F(xiàn)有的增材制造文獻(xiàn)中關(guān)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(yīng)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(yàn)場(chǎng)景中最大的問題，總體疲勞性能通常不達(dá)標(biāo)。我們也欣喜地看到這些問題已經(jīng)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(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相當(dāng)?shù)臋C(jī)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(yīng)

組裝過程中的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件翹曲、開裂和機(jī)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(gòu)建過程中的局部變化。金屬增材制造中孔隙形成的各種機(jī)制已被確定，正是這些機(jī)制導(dǎo)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�？紫兜拇嬖诮档土瞬牧系难诱剐�，但在疲勞載荷中尤其重要，因?yàn)榭紫稌?huì)成為應(yīng)力集中區(qū)，從而形成裂紋，導(dǎo)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(huì)造成應(yīng)力集中區(qū)和裂紋。所獲得的材料微觀結(jié)構(gòu)通常是各向異性的，并且紋理取向取決于構(gòu)建方向，從而影響機(jī)械性能（如圖5）。需要適當(dāng)?shù)暮筇幚頍崽幚砗蜔岬褥o壓工藝（(HotIsostatic Pressing,簡(jiǎn)寫為HIP)來改善這一點(diǎn)。

▲圖5 研究樣本的細(xì)節(jié):a)樣本的形狀(“成品”表面是藍(lán)色的，帶點(diǎn)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(chǎn)的增材制造齒輪滾刀(長(zhǎng)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(rèn)識(shí)的不斷深化，因此需要在增材制造工藝的所有階段進(jìn)行全鏈條質(zhì)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(chǎng)監(jiān)控以及每個(gè)單獨(dú)工藝和所需原料組合的后處理。即使工藝和材料質(zhì)量最佳，仍可能出現(xiàn)意外錯(cuò)誤，需要進(jìn)行某種加工和進(jìn)一步的后處理（圖7）。所有這些操作都會(huì)增加生產(chǎn)組件的成本，但繞過這些步驟會(huì)導(dǎo)致性能和可靠性的損失。熱等靜壓已經(jīng)在航空航天中廣泛采用，它對(duì)于封閉孔隙、均勻化微觀結(jié)構(gòu)和提高部件的延展性非常有用。這也導(dǎo)致金屬增材制造部件的疲勞性能大大提高，導(dǎo)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(xué)性能與疲勞極限的相關(guān)性

4.4.增材制造設(shè)計(jì)

▲圖8 基于粉末的DED-L采用沒有粉末進(jìn)料模擬的熔池模型計(jì)算溫度場(chǎng)和速度場(chǎng):(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(bào)道的基于COMSOL Multiphysics的模型。(f)Wei等人的模型

增材制造設(shè)計(jì) （Design for AM-DfAM）可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得最佳制造質(zhì)量，最大限度地減少支撐結(jié)構(gòu)和后處理。這也可以結(jié)合構(gòu)建模擬來確定零件在構(gòu)建平臺(tái)上的最佳方向，幫助確定構(gòu)建策略以最小化殘余應(yīng)力和由此產(chǎn)生的變形，并最小化支撐結(jié)構(gòu)。這種模擬和DfAM方法很耗時(shí)，并且依賴于AM工程師的專業(yè)技能和所用計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jī)械和液相線和固相線溫度下的熱物理性質(zhì)，而這些參數(shù)相對(duì)而言不易獲得。

▲圖9 傳熱傳質(zhì)以及流體流動(dòng)對(duì)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(jié)構(gòu)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@些技術(shù)通�；�于一組已知的輸入和約束來優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)、熱力、動(dòng)態(tài)和綜合環(huán)境在航空航天應(yīng)用中并未被明確。這就導(dǎo)致其設(shè)計(jì)通常需要高設(shè)計(jì)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(jīng)常被低估的關(guān)鍵步驟。對(duì)于具有精細(xì)特色尺寸的復(fù)雜零件，捕獲的粉末可能是一個(gè)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(yīng)加大了。典型的方法包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(huì)被永久捕獲。

進(jìn)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(duì)于所有后處理步驟，必須小心防止損壞(例如移除支架時(shí))，以確保零件符合設(shè)計(jì)且未有表面損壞。隨著AM零件復(fù)雜性的增加，表面拋光、機(jī)械加工或其他加工方法進(jìn)一步受到挑戰(zhàn)，必須在工藝早期進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

4.6.無損檢測(cè)（Non-Destructive testing-NDT)
由于這種種挑戰(zhàn)，無損檢測(cè)被用于所有由金屬AM制造的關(guān)鍵飛行部件中。無損檢測(cè)對(duì)于識(shí)別關(guān)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(shí)現(xiàn)，包括射線檢測(cè)、染色滲透、渦流、超聲波檢測(cè)等。AM零件的這種無損檢測(cè)也面臨著一些新挑戰(zhàn)，比如復(fù)雜的零件需要更優(yōu)化的無損檢測(cè)方法，而且一些傳統(tǒng)工具與這種復(fù)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(cè)工具的靈敏度。

盡管有這些挑戰(zhàn)，但有一種方法已經(jīng)被證明足夠”優(yōu)秀“——x光計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)幾何形狀中的偏差、熱處理引起的翹曲等。該方法的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是在不同時(shí)間進(jìn)行多次掃描，它能夠提供零件隨時(shí)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(píng)估可用于評(píng)估進(jìn)一步的適用性，甚至提供預(yù)期壽命的預(yù)測(cè)。

▲圖11  CT揭示的工藝參數(shù)對(duì)激光粉末床熔化孔隙率的影響

該技術(shù)的主要限制是大型零件、厚壁部件的分辨率相對(duì)較低，銅等合金所帶來的挑戰(zhàn)，以及所涉及的時(shí)間和成本。此外，一些金屬對(duì)x光的吸收性很高，使得它們的CT大部分都會(huì)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(gòu)建的試樣可以很好地表明其質(zhì)量。對(duì)于較大的零件，使用更高能量的X射線源在技術(shù)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(jìn)而不是過程后再去進(jìn)行缺陷識(shí)別。

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

▲圖12 洛克希德馬丁公司最大的衛(wèi)星新坦克配備了一個(gè)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(shè)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(rèn)證、獨(dú)特的質(zhì)量控制要求、低批量生產(chǎn)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(yīng)鏈成熟度不夠、機(jī)器成本高以及生產(chǎn)功能組件所需的專業(yè)性知識(shí)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(huì)加強(qiáng)對(duì)這些問題的理解、并進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展。

下面列出了當(dāng)前發(fā)展的最重要領(lǐng)域：
• 為航空航天應(yīng)用開發(fā)的新型合金
• 用于數(shù)字孿生和精確缺陷識(shí)別的原位監(jiān)測(cè)
• 用于識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的構(gòu)建模擬
• 空間和非地面AM
• 蜂窩建筑結(jié)構(gòu)(晶格)的更廣泛使用
• 拓?fù)鋬?yōu)化和混合熱力分析優(yōu)化等技術(shù)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(lǐng)域AM相關(guān)的話題

未來重要的發(fā)展領(lǐng)域包括新型定制合金的應(yīng)用、雙金屬和多金屬加工和表征、詳細(xì)的工藝-結(jié)構(gòu)-性能理解、AM材料數(shù)據(jù)庫、工藝認(rèn)證、設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝模擬。TO的應(yīng)用和晶格結(jié)構(gòu)的使用具有輕質(zhì)化潛力，這也是航空航天的重要要求。在這兩種情況下，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和成功制造的深入理解會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜的部件可以不斷改進(jìn)和優(yōu)化。TO已經(jīng)在整個(gè)航空航天領(lǐng)域有所應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)部件的輕量輕質(zhì)化。晶格結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特和精確設(shè)計(jì)的特性，如能量吸收特性、重量輕和傳熱特性，在航空航天應(yīng)用的設(shè)計(jì)改進(jìn)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(yīng)用研究的熱門課題。這些優(yōu)化的幾何形狀不僅可提升質(zhì)量，還可以支撐結(jié)構(gòu)或懸垂區(qū)域最小化與最少化，從而提高表面質(zhì)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(gòu)建模擬有望在優(yōu)化構(gòu)建質(zhì)量方面發(fā)揮越來越重要的作用，這可以為設(shè)計(jì)過程提供更多有效信息。

雖然TO和晶格結(jié)構(gòu)的潛力可用于減輕質(zhì)量，但除了綜合載荷之外，還需要對(duì)機(jī)械和熱載荷路徑有更好的理解，以確保該技術(shù)得到適當(dāng)應(yīng)用，并保證任務(wù)安全、成功完成。這是另一個(gè)研究領(lǐng)域了。正如這里所強(qiáng)調(diào)的，金屬AM在航空航天領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)是降低成本和交付周期。質(zhì)量減少也是優(yōu)化設(shè)計(jì)或使用多種合金的一個(gè)重要特色，但是這些技術(shù)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(shì)。金屬AM中固有的零件復(fù)雜性允許組件內(nèi)部的高復(fù)雜性，包括傳熱應(yīng)用的通道和高表面積。AM也在許多大規(guī)模應(yīng)用中得到了證明，因此規(guī)模將不再是一個(gè)限制。金屬AM在航空航天中的這些優(yōu)勢(shì)為該領(lǐng)域更廣泛地采用這一技術(shù)提供了巨大的潛力，這將進(jìn)一步推動(dòng)待克服的挑戰(zhàn)一個(gè)個(gè)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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2.Decision methods application to compare conventional manufacturing process with metal additive manufacturing process in the aerospace industry
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