增材制造技術發(fā)展到現(xiàn)階段，在繼續(xù)發(fā)展技術的同時，需要關注如何將技術迅速轉化為產品，并形成市場優(yōu)勢這一重大問題。在影響從技術向產品轉化進而形成市場優(yōu)勢的因素中，技術標準發(fā)揮著重要作用。標準即是新技術走向成熟的主要標志，也是新技術實現(xiàn)規(guī)模應用的基礎。近年來，隨著增材制造技術的日臻成熟，國際上與增材制造相關的標準化活動正日趨活躍。
 

    增材制造標準已經(jīng)步入快速發(fā)展階段

    截至目前，增材制造標準的發(fā)展過程可以劃分為兩個階段。

    從2002年第一份增材制造標準頒布到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》，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。目前，宇航材料規(guī)范已經(jīng)構成了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，標志著該項技術在美國航空航天領域開始走向實際使用。

    從2009年開始，增材制造標準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和國際標準化組織ISO分別成立了增材制造技術委員會，對推進增材制造標準制定發(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委員會F-42，設立了術語、設計、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項標準：ASTM F2792-12《增材制造技術標準術語》、ASTM F2915-12《增材制造文件格式標準規(guī)范》、ASTM F2921-12《增材制造——坐標系與命名標準術語》和ASTM F2924-12《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V 標準規(guī)范》，正在制訂中的標準有《網(wǎng)格結構術語》、《用于增材制造試樣試驗結果報告的慣例》、《增材制造設計指南》、《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《激光燒結高溫聚醚醚酮宇航非結構部件》等。上述標準涵蓋了基礎標準、設計指南和產品標準，構成了較為完整的基礎標準體系和開放的產品標準體系。從標準體系構成上看，該技術委員會規(guī)劃了術語、制造文件（含計算機編碼）格式、設計指南等基礎標準，這既是增材制造技術領域新概念、新方法數(shù)量眾多的反映，也是該技術進入大范圍應用的客觀需要。從正在開展的標準化活動看，近期將會有一些新的產品標準頒布，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，這對我國相關技術和產品的開發(fā)與應用具有一定的借鑒意義。

    2011年，國際標準化組織ISO也成立了增材制造技術委員會TC 261，下設術語，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。國際標準化組織增材制造技術委員會與美國材料與試驗協(xié)會增材制造技術委員會開展了合作，正在將前面提到的增材制造技術術語、制造文件格式和坐標系等3項ASTM基礎標準轉化為國際標準。該委員會也在制訂自己的標準ISO 17296《增材制造——快速技術（快速原型制造）》，這份標準包括術語，方法、工藝和材料，試驗方法，以及數(shù)據(jù)處理四個分標準。需要指出的是，快速原型制造是當前增材制造技術的主要應用方向，但增材制造技術應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標準AMS 4999的換版。新標準AMS 4999A的名稱更改為《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品》，增加了工藝方法，完善了產品性能和檢驗要求，增加了工藝認證、產品認證和工藝過程控制要求等內容。與原標準相比，新標準的性能指標要求更加全面合理，內部質量檢驗要求更加具體可操作，標準實用性更強。

 

    鈦合金增材制造產品標準最為成熟

    目前，國外已經(jīng)頒布的兩項增材制造產品標準都是針對Ti-6Al-4V鈦合金的。中等強度的Ti-6Al-4V鈦合金是航空航天領域應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鈦合金對應的牌號是TC4，該合金在航空航天領域也得到了廣泛應用。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用技術發(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，在鈦合金上應用優(yōu)勢突出。因此，在以航空應用為背景的增材制造技術研究中，鈦合金一直占有較大比重，也最為成熟。

    已經(jīng)納入標準的鈦合金增材制造工藝方法有直接沉積法和鋪粉熔覆法。

    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鈦合金直接沉積產品》就是針對直接沉積法的。該標準中規(guī)定的熔化熱源為激光和電子束。與2002年頒布的AMS 4999標準相比，新標準增加了電子束工藝，表明電子束直接沉積技術也已經(jīng)成為一種成熟的工藝。新標準規(guī)定的填充材料除粉末外，增加了絲材。新標準規(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，與老標準只有厚板一個品種相比適用范圍更廣。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進行模鍛改進組織和性能的相關研究報道。

    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的產品相比，鋪粉熔覆工藝可以獲得更好的表面質量，對一些沒有配合關系的表面，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。但這種工藝的沉積效率相對較低。美國標準ASTM F2924-12《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V標準規(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。該標準規(guī)定產品一般用于性能要求與鍛造和軋制產品相同的部件。產品一般需要經(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)定產品可以不經(jīng)后續(xù)加工處理直接使用。

 

    產品標準對性能和質量的要求更加完善

    隨著增材制造技術的發(fā)展和數(shù)據(jù)的積累，相關產品標準中對性能和質量要求的技術條款更加完善，達到了鍛鑄件標準的水平。

    在性能要求方面， 2002年頒布的AMS 4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產品》中，產品拉伸性能指標中橫向性能仍然采用了保證值——S基值，而且性能指標低于縱向。隨著數(shù)據(jù)的積累，在新標準AMS 4999A中，橫向性能也采用了A基值，而且與縱向性能指標要求相同。新標準關于拉伸性能指標的規(guī)定意味著，在縱向和橫向構成的沉積平面上，產品的拉伸性能沒有明顯的差別，這對產品的應用有益。由于該項標準規(guī)定，高向拉伸性能試樣應當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。標準中沒有給出單一沉積材料的高向性能指標要求，這對使用該標準的設計者來說是個不足。新標準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鈦合金直接沉積產品的拉伸強度和平面應變斷裂韌度KIC與模鍛件標準的規(guī)定處于相同水平，但塑性指標延伸率的要求較低。

    在內部質量要求方面，2002年頒布的AMS 4999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，沒有關于缺陷大小和檢查方法的規(guī)定。新標準AMS 4999A增加了超聲波檢查和射線檢查的內容，規(guī)定了檢查采用的產品狀態(tài)、檢查方向、方法標準和缺陷標準等內容，要求具體、可操作。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，新標準規(guī)定直接沉積產品兩項檢查都需要進行，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具有重要意義。采用的檢查方法標準分別是目前擠壓產品和鍛件常用的超聲檢查標準，以及鑄件和焊接接頭常用的射線檢查標準，并未引入新的方法標準，這有利于該標準的推廣采用。

 

    產品標準對工藝過程的定義和控制要求更加明確

    過程可控是航空產品生產工藝的基本要求。所謂可控包括工藝步驟可分解、可定義，工藝參數(shù)可檢查、可記錄，工藝過程穩(wěn)定、可重復。

    AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產品》標準新增加了工藝和供應商批準，沉積參數(shù)批準，沉積/幾何參數(shù)批準，制造大綱批準和固化工藝等工藝控制要求。

    工藝和供應商批準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)定了進行工藝和供應商批準所需的試驗批次和數(shù)量，應達到的性能指標要求以及性能試驗實測值的分布要求。

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

    沉積參數(shù)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積等參數(shù)定義。每個沉積路徑包括粉的種類和供應商、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)。標準規(guī)定應有足夠數(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)批準過程中，除了要檢查拉伸性能，還需要進行應變疲勞性能試驗。

    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。標準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)批準需要進行的拉伸試驗和應變疲勞試驗的批次和數(shù)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(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，供應商在生產實施前，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制造大綱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受控是保證飛機零件質量和可靠性的重要措施，相關的工藝認證批準活動，已經(jīng)成為原材料和零件質量控制的慣例。增材制造技術工藝過程與傳統(tǒng)工藝過程有很大差異。生產商如何表征、采購方如何認證和批準沉積工藝過程，對該項技術在飛機上大范圍應用具有重要意義。AMS 4999A標準中關于直接沉積產品工藝過程表征，以及工藝過程認證批準的思路和方法，對增材制造技術在我國航空產品上推廣應用具有一定借鑒意義。

 

    關于我國航空增材制造技術標準發(fā)展的建議

    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、重要承力部件等已經(jīng)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。

    但是應當看到，我國增材制造技術標準化工作落后于國外，沒有充分反映技術發(fā)展的水平。已經(jīng)在飛機上裝機使用的增材制造產品均采用各企業(yè)的技術條件和規(guī)范。由于缺少對沉積工藝過程的表征、控制和認證批準的規(guī)定，每項產品都要走研制、試制程序，產品的大范圍推廣使用受到制約，已有的技術優(yōu)勢并沒有迅速轉化為規(guī)?；漠a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標準化工作，需要盡快成立增材制造標準化技術委員會，統(tǒng)籌推進標準化工作。可以在全國航空器標準化技術委員會下成立相關工作組，負責組織開展增材制造技術標準體系規(guī)劃，積極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國外相關基礎標準的轉化工作。

    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和應用優(yōu)勢，借鑒國外相關產品標準在內部質量、工藝控制、驗證程序方面的規(guī)定，加快開展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。