近年來，結(jié)合了數(shù)字化設(shè)計、制造技術(shù)，先進材料技術(shù)，以及激光、電子束等高能束流工藝的3D打印增材制造技術(shù)受到熱捧，被認為是可能改變制造行業(yè)的一次新的技術(shù)革命。美國政府和軍方高度重視增材制造技術(shù)，把它作為支撐振興美國制造業(yè)國家戰(zhàn)略的主要措施給予了大力支持，進而引發(fā)了發(fā)達國家對該項技術(shù)的普遍關(guān)注。我國的增材制造技術(shù)研究和應(yīng)用工作已經(jīng)取得了一系列成果，北京航空航天大學(xué)與中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所等單位合作研發(fā)的激光快速成型鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)在飛機上成功實現(xiàn)應(yīng)用，技術(shù)水平居世界領(lǐng)先。

 

    增材制造技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，在繼續(xù)發(fā)展技術(shù)的同時，需要關(guān)注如何將技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并形成市場優(yōu)勢這一重大問題。在影響從技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化進而形成市場優(yōu)勢的因素中，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮著重要作用。標(biāo)準(zhǔn)即是新技術(shù)走向成熟的主要標(biāo)志，也是新技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。近年來，隨著增材制造技術(shù)的日臻成熟，國際上與增材制造相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化活動正日趨活躍。

 

    從2002年第一份增材制造標(biāo)準(zhǔn)頒布到2009年為起步階段。2002年，美國汽車工程師協(xié)會SAE發(fā)布了第一份增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——宇航材料規(guī)范AMS 4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》，同期還頒布了AMS 4998《Ti-6Al-4V鈦合金粉末》。為了推動軍民融合，20世紀(jì)90年代起，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)體系中與材料相關(guān)的軍用規(guī)范開始轉(zhuǎn)化為宇航材料規(guī)范。目前，宇航材料規(guī)范已經(jīng)構(gòu)成了美國軍用航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)的主體。增材制造技術(shù)宇航材料規(guī)范的頒布，標(biāo)志著該項技術(shù)在美國航空航天領(lǐng)域開始走向?qū)嶋H使用。

 

    從2009年開始，增材制造標(biāo)準(zhǔn)開始進入有組織的快速發(fā)展階段。美國材料與試驗協(xié)會ASTM和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO分別成立了增材制造技術(shù)委員會，對推進增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)揮了重要作用。

 

     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(shù)委員會F-42，設(shè)立了術(shù)語、設(shè)計、材料和工藝、試驗方法、人員等分委員會，包括了10個國家的100多個成員單位。該委員會已經(jīng)頒布了4項標(biāo)準(zhǔn)：ASTM F2792-12《增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語》、ASTM F2915-12《增材制造文件格式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》、ASTM F2921-12《增材制造——坐標(biāo)系與命名標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語》和ASTM F2924-12《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，正在制訂中的標(biāo)準(zhǔn)有《網(wǎng)格結(jié)構(gòu)術(shù)語》、《用于增材制造試樣試驗結(jié)果報告的慣例》、《增材制造設(shè)計指南》、《電子束熔化（EBM）Ti-6Al-4V ELI鈦合金》、《鋪粉熔覆增材制造Inconel 625鎳基合金》、《鋪粉熔覆增材制造Co-28Cr-6Mo合金》和《激光燒結(jié)高溫聚醚醚酮宇航非結(jié)構(gòu)部件》等。上述標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計指南和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成了較為完整的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系和開放的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。從標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成上看，該技術(shù)委員會規(guī)劃了術(shù)語、制造文件（含計算機編碼）格式、設(shè)計指南等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，這既是增材制造技術(shù)領(lǐng)域新概念、新方法數(shù)量眾多的反映，也是該技術(shù)進入大范圍應(yīng)用的客觀需要。從正在開展的標(biāo)準(zhǔn)化活動看，近期將會有一些新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品，這對我國相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

 

    2011年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO也成立了增材制造技術(shù)委員會TC 261，下設(shè)術(shù)語，方法、工藝和材料，試驗方法，數(shù)據(jù)處理等分委員會或工作組。委員會目前有14個成員國和6個觀察員國。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織增材制造技術(shù)委員會與美國材料與試驗協(xié)會增材制造技術(shù)委員會開展了合作，正在將前面提到的增材制造技術(shù)術(shù)語、制造文件格式和坐標(biāo)系等3項ASTM基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)。該委員會也在制訂自己的標(biāo)準(zhǔn)ISO 17296《增材制造——快速技術(shù)（快速原型制造）》，這份標(biāo)準(zhǔn)包括術(shù)語，方法、工藝和材料，試驗方法，以及數(shù)據(jù)處理四個分標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，快速原型制造是當(dāng)前增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用方向，但增材制造技術(shù)應(yīng)用范圍不限于快速原型制造。

 

    2011年，美國汽車工程師協(xié)會完成了對首份增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999的換版。新標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999A的名稱更改為《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產(chǎn)品》，增加了工藝方法，完善了產(chǎn)品性能和檢驗要求，增加了工藝認證、產(chǎn)品認證和工藝過程控制要求等內(nèi)容。與原標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)要求更加全面合理，內(nèi)部質(zhì)量檢驗要求更加具體可操作，標(biāo)準(zhǔn)實用性更強。

 

    目前，國外已經(jīng)頒布的兩項增材制造產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都是針對Ti-6Al-4V鈦合金的。中等強度的Ti-6Al-4V鈦合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鈦合金牌號，在西方國家，用量占到了飛機用鈦合金的80%左右。我國與Ti-6Al-4V鈦合金對應(yīng)的牌號是TC4，該合金在航空航天領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金原材料價格昂貴，機械加工困難、加工成本高。因此，降低坯料重量，盡量獲得接近零件最終形狀的毛坯，從而減少原材料投入和零件加工成本一直是鈦合金應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的重點。與鍛造和鑄造等傳統(tǒng)工藝相比，增材制造的優(yōu)點之一是節(jié)省原材料、零件切削加工量小，在鈦合金上應(yīng)用優(yōu)勢突出。因此，在以航空應(yīng)用為背景的增材制造技術(shù)研究中，鈦合金一直占有較大比重，也最為成熟。

 

     直接沉積法是送料（可以是粉或絲）與熔化同步進行的增材制造工藝。美國宇航材料規(guī)范AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產(chǎn)品》就是針對直接沉積法的。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熔化熱源為激光和電子束。與2002年頒布的AMS 4999標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)增加了電子束工藝，表明電子束直接沉積技術(shù)也已經(jīng)成為一種成熟的工藝。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的填充材料除粉末外，增加了絲材。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基體材料可以是Ti-6Al-4V鈦合金厚板、棒材、鍛件、型材、熱等靜壓精鑄件或冷床爐一次熔煉板材等各類品種，與老標(biāo)準(zhǔn)只有厚板一個品種相比適用范圍更廣。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品用途為機械加工毛坯或鍛造毛坯。直接沉積的鈦合金產(chǎn)品一般在機械加工后使用，但在美國也有用于鍛件毛坯進行模鍛改進組織和性能的相關(guān)研究報道。

 

     鋪粉熔覆工藝是在熔覆開始前鋪好一層20～100微米厚的金屬粉末，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。國外的選區(qū)激光熔化SLM，金屬直接激光燒結(jié)DMLS和電子束熔化EBM等均屬于鋪粉熔覆工藝。與直接沉積工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，鋪粉熔覆工藝可以獲得更好的表面質(zhì)量，對一些沒有配合關(guān)系的表面，可以不經(jīng)過機械加工直接使用。因此有人也把這種工藝稱為精密增材制造技術(shù)。但這種工藝的沉積效率相對較低。美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM F2924-12《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》針對的就是鋪粉熔覆法，熔化熱源也有激光和電子束兩種。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定產(chǎn)品一般用于性能要求與鍛造和軋制產(chǎn)品相同的部件。產(chǎn)品一般需要經(jīng)過機加、打磨等后續(xù)的加工處理，以便得到所需的表面粗糙度和尺寸精度，同時也明確規(guī)定產(chǎn)品可以不經(jīng)后續(xù)加工處理直接使用。

 

     在性能要求方面， 2002年頒布的AMS 4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》中，產(chǎn)品拉伸性能指標(biāo)中橫向性能仍然采用了保證值——S基值，而且性能指標(biāo)低于縱向。隨著數(shù)據(jù)的積累，在新標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999A中，橫向性能也采用了A基值，而且與縱向性能指標(biāo)要求相同。新標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于拉伸性能指標(biāo)的規(guī)定意味著，在縱向和橫向構(gòu)成的沉積平面上，產(chǎn)品的拉伸性能沒有明顯的差別，這對產(chǎn)品的應(yīng)用有益。由于該項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高向拉伸性能試樣應(yīng)當(dāng)包括基體材料與沉積層的界面，因此高向拉伸性能與縱、橫向性能的差別，可能主要是反映了基體材料與沉積層界面的影響。標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出單一沉積材料的高向性能指標(biāo)要求，這對使用該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計者來說是個不足。新標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999A中還增加了斷裂韌度要求。從性能要求量值上看，Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產(chǎn)品的拉伸強度和平面應(yīng)變斷裂韌度KIC與模鍛件標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定處于相同水平，但塑性指標(biāo)延伸率的要求較低。

 

     在內(nèi)部質(zhì)量要求方面，2002年頒布的AMS 4999標(biāo)準(zhǔn)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，沒有關(guān)于缺陷大小和檢查方法的規(guī)定。新標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999A增加了超聲波檢查和射線檢查的內(nèi)容，規(guī)定了檢查采用的產(chǎn)品狀態(tài)、檢查方向、方法標(biāo)準(zhǔn)和缺陷標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，要求具體、可操作。與變形產(chǎn)品只進行超聲檢查、鑄造產(chǎn)品只進行射線檢查不同，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直接沉積產(chǎn)品兩項檢查都需要進行，反映了直接沉積產(chǎn)品的組織和缺陷的特點，對保證航空航天產(chǎn)品使用安全具有重要意義。采用的檢查方法標(biāo)準(zhǔn)分別是目前擠壓產(chǎn)品和鍛件常用的超聲檢查標(biāo)準(zhǔn)，以及鑄件和焊接接頭常用的射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，并未引入新的方法標(biāo)準(zhǔn)，這有利于該標(biāo)準(zhǔn)的推廣采用。 

    

     工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)在硬件試制開始前進行。由采購方對熔覆的熱源、熱源參數(shù)范圍、填充材料、填充方法、氣氛、沉積路徑和粉末送料方法等工藝過程，以及填充材料的供應(yīng)商進行批準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制粉工藝變化應(yīng)重新進行工藝批準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了進行工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)所需的試驗批次和數(shù)量，應(yīng)達到的性能指標(biāo)要求以及性能試驗實測值的分布要求。

 

     沉積參數(shù)批準(zhǔn)和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)在產(chǎn)品的試制開始前進行，其中，沉積參數(shù)批準(zhǔn)針對的是不同的沉積工藝路徑，沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)針對的是特定產(chǎn)品的由多個沉積參數(shù)構(gòu)成的沉積工藝過程。

 

     沉積參數(shù)批準(zhǔn)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積等參數(shù)定義。每個沉積路徑包括粉的種類和供應(yīng)商、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等參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)有足夠數(shù)量的零件，以覆蓋工藝參數(shù)的上下限和中間值。在沉積參數(shù)批準(zhǔn)過程中，除了要檢查拉伸性能，還需要進行應(yīng)變疲勞性能試驗。

 

     沉積/幾何參數(shù)包括下列沉積參數(shù)和零件幾何特征：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(biāo)準(zhǔn)針對普通沉積和沉積之間相交，分別規(guī)定了沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)需要進行的拉伸試驗和應(yīng)變疲勞試驗的批次和數(shù)量要求。

 

     標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有直接沉積產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)按由供應(yīng)商準(zhǔn)備、采購方批準(zhǔn)的固化工藝和制造大綱進行生產(chǎn)。制造大綱應(yīng)當(dāng)與認證產(chǎn)品的生產(chǎn)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(zhǔn)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(yù)熱溫度和時間，產(chǎn)品的 CAD模型和包括機器編碼的CAM文件，零件沉積工藝參數(shù)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(shù)和工具/工裝，熱等靜壓工藝參數(shù)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，供應(yīng)商在生產(chǎn)實施前，應(yīng)當(dāng)向采購方提交申請，以獲得批準(zhǔn)。采購方應(yīng)當(dāng)定義保證工藝和制造大綱的更改不對結(jié)構(gòu)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受控是保證飛機零件質(zhì)量和可靠性的重要措施，相關(guān)的工藝認證批準(zhǔn)活動，已經(jīng)成為原材料和零件質(zhì)量控制的慣例。增材制造技術(shù)工藝過程與傳統(tǒng)工藝過程有很大差異。生產(chǎn)商如何表征、采購方如何認證和批準(zhǔn)沉積工藝過程，對該項技術(shù)在飛機上大范圍應(yīng)用具有重要意義。AMS 4999A標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于直接沉積產(chǎn)品工藝過程表征，以及工藝過程認證批準(zhǔn)的思路和方法，對增材制造技術(shù)在我國航空產(chǎn)品上推廣應(yīng)用具有一定借鑒意義。

 

     我國增材制造技術(shù)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(guān)鍵、重要承力部件等已經(jīng)在飛機上使用，工藝和應(yīng)用技術(shù)整體上處于國際領(lǐng)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(fù)雜、大型空間曲面多孔鈦合金構(gòu)件。

 

     但是應(yīng)當(dāng)看到，我國增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作落后于國外，沒有充分反映技術(shù)發(fā)展的水平。已經(jīng)在飛機上裝機使用的增材制造產(chǎn)品均采用各企業(yè)的技術(shù)條件和規(guī)范。由于缺少對沉積工藝過程的表征、控制和認證批準(zhǔn)的規(guī)定，每項產(chǎn)品都要走研制、試制程序，產(chǎn)品的大范圍推廣使用受到制約，已有的技術(shù)優(yōu)勢并沒有迅速轉(zhuǎn)化為規(guī)?；漠a(chǎn)品優(yōu)勢，距離形成市場優(yōu)勢的差距更遠。

 

    為了加快我國航空增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要盡快成立增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，統(tǒng)籌推進標(biāo)準(zhǔn)化工作?？梢栽谌珖娇掌鳂?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會下成立相關(guān)工作組，負責(zé)組織開展增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃，積極參加國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）增材制造技術(shù)委員會ISO TC 261的活動，開展相關(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制訂或國外相關(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作。

 

     在增材制造技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化方面，可以發(fā)揮中航工業(yè)相關(guān)研究所和工廠在激光快速成形和激光精密增材成形工藝上的也已形成的技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢，借鑒國外相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)部質(zhì)量、工藝控制、驗證程序方面的規(guī)定，加快開展集團標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，強化對增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝過程控制，通過標(biāo)準(zhǔn)化活動促進增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，加快技術(shù)優(yōu)勢向產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢的轉(zhuǎn)化。