導(dǎo)讀：北京動力機械研究所增材制造中心馬瑞主任在今年TCT展作了《淺談航天發(fā)動機增材制造過程的質(zhì)量控制》的報告，本文征得作者同意，將發(fā)言稿整理成文。

文章內(nèi)容已獲保密審批，授權(quán)發(fā)布。

作者介紹：馬瑞，北京動力機械研究所增材中心主任，擔(dān)任中國航天科工集團某項目常務(wù)副總師、某科技重大專項項目技術(shù)負責(zé)人、中國機械工程協(xié)會增材制造技術(shù)分會委員，獲國防科技進步二等獎兩項。

近年來，增材制造技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，在解放設(shè)計自由度、復(fù)雜構(gòu)件加工、結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化和輕量化方面的優(yōu)勢越來越明顯，出現(xiàn)了一批增材制造典型應(yīng)用場景，行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。然而，增材制造行業(yè)在整個工業(yè)界的產(chǎn)值占比仍然非常低，2023年僅為0.1~0.2%。

同時，從國內(nèi)金屬增材制造產(chǎn)業(yè)鏈條來看，2024年產(chǎn)值超過3億元的產(chǎn)業(yè)中游設(shè)備廠家有4~5家，但在下游的服務(wù)和應(yīng)用端，具備這種規(guī)模的廠家僅1家。其他服務(wù)商中產(chǎn)值超過1億元的很少，盈利的更是幾乎沒有。這反映出增材制造的實際應(yīng)用雖然大幅增長，看到了很多的希望和可能性，但仍然沒有全面爆發(fā)。

之所以是這樣一個情況，除了金屬增材制造行業(yè)自身技術(shù)門檻較高之外，還受到增材制造的效率、質(zhì)量和成本等問題的影響，本報告只圍繞增材制造過程的質(zhì)量控制敘述。

金屬增材制造過程的質(zhì)量控制是很難的，借用南航顧冬冬教授報告里的一組數(shù)據(jù)能夠清晰的看到這一點：打印25mm邊長的立方體，激光掃描線長度就達到了3~6km，有5百萬到3千萬個激光熔化點。而我們實際打印的產(chǎn)品遠遠大于這個尺寸，動輒一個產(chǎn)品尺寸超過1m，打印層數(shù)超過2萬層，打印時間20多天，單倉打印的質(zhì)量數(shù)據(jù)就超過10G。由此可以看出，金屬增材制造是涉及到點-線-體、風(fēng)-光-電、熔化-凝固-相變的極復(fù)雜物理過程，質(zhì)量控制難度大。

增材制造常見缺陷

要講質(zhì)量控制，我們首先介紹一下金屬增材制造過程的常見缺陷。

• 裂紋

這是一種金相組織或者產(chǎn)品本體出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。簡單可以分為熱裂紋和冷裂紋。

熱裂紋主要由晶界處低熔點相液化導(dǎo)致，和以下幾個因素有關(guān)。首先是材料特性，高溫合金、鋁合金更容易出現(xiàn)熱裂紋缺陷，而鈦合金熱裂紋傾向較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一，是鋁合金等材料的固液相線太寬，容易產(chǎn)生凝固裂紋。對于高溫合金，熱裂紋傾向與合金元素含量密切相關(guān)，比如高溫合金的Ti、Al含量較高時，材料容易產(chǎn)生低熔點共晶相，增加熱裂紋形成的可能性；C和B的含量過高也會引起開裂傾向的增加。通常情況下，熱裂紋較少時不會影響工件靜載力學(xué)性能，但裂紋含量增多時，會導(dǎo)致材料提前失效，導(dǎo)致抗拉強度和延伸率下降。

此外，熱裂紋還和工藝參數(shù)有關(guān)，一般認為熱輸入過大時易產(chǎn)生熱裂紋，但我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱輸入偏小的時候，熱裂紋傾向也較大。

冷裂紋主要是由于打印過程中殘余應(yīng)力難以釋放、超過抗拉強度導(dǎo)致，通常為宏觀裂紋。冷裂紋除了與材料特性有關(guān)之外，還跟構(gòu)件結(jié)構(gòu)拘束度有關(guān)。鈦合金構(gòu)件越大、壁厚越厚，越容易出現(xiàn)裂紋，尤其是在結(jié)構(gòu)突變處。而對于Ti2AlNb金屬間化合物，除了打印過程的應(yīng)力，在后續(xù)的熱處理過程中會產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件開裂，這也是冷裂紋的一類表現(xiàn)形式。

宏觀裂紋會導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能惡化、結(jié)構(gòu)承載能力下降，是最為嚴重的一類缺陷，原則上是不允許存在的，必須返修。對于微觀裂紋，如果尺寸很小、數(shù)量很少，X光檢驗合格，且不影響產(chǎn)品的力學(xué)性能時，是允許少量存在的。

• 未熔合

第二個要介紹的缺陷是未熔合，這是一種層與層之間、道與道之間未形成有效冶金結(jié)合的現(xiàn)象，在X光片中通常表現(xiàn)為黑色的線性缺陷。常見成因很簡單，通常為能量輸入不足或者粉層異常增厚。能量輸入不足的原因之一是鏡片污染后，粉末接收到的有效激光能量不足，對應(yīng)這個激光的象限全部會出現(xiàn)未熔合。能量不足的另一原因是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的黑渣，阻礙了激光熔化金屬粉層，連續(xù)多層的黑渣容易產(chǎn)生未熔合等。

粉末異常增厚的原因也更加多樣，主要包括產(chǎn)品打印過程斷裂造成的彈粉、支撐斷裂造成的彈粉、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與刮刀方向平行造成的彈粉、刮刀破損造成的局部粉層增厚、Z軸運動異常造成的粉層增厚、鋪粉過程中刮刀架的粉末掉落、缸體漏粉等。

未熔合的產(chǎn)生在燒結(jié)過程中有一些典型的特征，如下圖所示。正常鋪粉時產(chǎn)品輪廓會被粉層全覆蓋，但能隱約看出產(chǎn)品輪廓，在后續(xù)燒結(jié)時，燒結(jié)截面呈亮白色；在鋪粉異常、粉層異常增厚時，產(chǎn)品的輪廓消失，燒結(jié)后燒結(jié)面發(fā)黑，且由于未熔合這層會發(fā)生變形翹曲，在下一層鋪粉時往往會產(chǎn)生刮刀碰撞停機（選用鋼刮刀時）。下一層鋪粉時，由于燒結(jié)面翹曲，粉層無法蓋住燒結(jié)面，需要多層燒結(jié)后才能逐步恢復(fù)正常，但此時未熔合已經(jīng)形成，嚴重時會造成產(chǎn)品報廢。

未熔合的危害很大，容易在服役過程中成為裂紋源，造成產(chǎn)品提前失效；且相對于宏觀裂紋而言，很多未熔合缺陷尺寸很小，X光檢測過程中不易發(fā)現(xiàn)，非常隱蔽。所以未熔合缺陷是激光選區(qū)熔化產(chǎn)品中最隱蔽、最常見也最不易處理的一類缺陷。

• 多余物

第三類典型缺陷是多余物，即成形過程中產(chǎn)生的非預(yù)留殘留物，常見于流道類結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生的原因有多種，首先是清粉不徹底。如下圖中所示的環(huán)形腔，清粉孔的位置不合理，粉末不易清除，在熱處理后就板結(jié)在流道中，無法取出，造成產(chǎn)品報廢。第二種原因是表面質(zhì)量差，尤其是對于低角度成形的下表面，由于散熱差，支撐能力弱，很容易形成類似于毛刺的多余物。第三種是飛濺物或者支撐殘留。在打印過程中，由于飛濺或者鋼制刮刀與支撐碰撞造成的殘留也會形成多余物，使用軟刮刀能夠大幅減少這種類型的多余物。

多余物會造成流道堵塞，影響產(chǎn)品的換熱能力，如果脫落的話更麻煩，堵塞噴油孔，直接造成產(chǎn)品的功能失效，因此多余物也是增材制造過程中非常常見、但危害較大的缺陷。

除此之外，金屬增材制造過程中還存在產(chǎn)品變形、孔洞、錯位等缺陷，同時設(shè)備停機、結(jié)構(gòu)突變等因素所引起的收縮線也會造成射線檢測時出現(xiàn)與未熔合缺陷幾乎相同的黑線，是否作為缺陷判定尚無定論，在此不進行詳細介紹。

質(zhì)量控制措施

本章節(jié)將從全面質(zhì)量管理理論中人、機、料、法、環(huán)、測這幾個基本要素逐一進行分析增材制造過程中的質(zhì)量控制措施。

• 人是增材制造生產(chǎn)過程最重要的要素，但也是最不可靠的要素

以增材制造設(shè)備操作為例，對操作人員處理突發(fā)問題的能力要求很高。突發(fā)問題經(jīng)常會發(fā)生各類停機，產(chǎn)品冷卻會造成收縮，所以停機后都要核對產(chǎn)品高度與層數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，確認是否補高，這個過程涉及人工粉層刮薄、手動鋪粉、單層打印等等，任何處理不當(dāng)都會造成產(chǎn)品的報廢，對人員操作要求較高。

后處理操作人員主要涉及去支撐、打磨等工序。這些工序價值很低，但風(fēng)險極高，一不小心就會造成產(chǎn)品報廢，且報廢代價大。所以幾乎所有的增材制造服務(wù)商的鉗工能力都是自建，很少外協(xié)。

工藝人員一樣會犯各種錯誤，一倉多件排版時使用了鏡像，造成模型錯誤的；未添加圓角或圓角尺寸不足導(dǎo)致產(chǎn)品開裂的，建模時模型與支撐脫開，支撐完全未起作用造成產(chǎn)品開裂的。所以對于工藝人員的模型處理能力要求也很高。

因此為了確保不出問題，我們針對不同的人員編制了各類的教材，進行培訓(xùn)，提高人員素質(zhì)，降低質(zhì)量風(fēng)險。

• 第二個質(zhì)量控制要素是設(shè)備

設(shè)備的狀態(tài)對最終產(chǎn)品的影響非常大，每次打印前都需要對設(shè)備狀態(tài)進行確認，如光路是否校準(zhǔn)、避免產(chǎn)品發(fā)生錯位、刮刀是否出現(xiàn)破損、避免產(chǎn)生粉層不均勻進而造成未熔合、鏡頭是否清潔、刮刀架上是否有存粉等。

打印過程中同樣要不斷地進行設(shè)備巡檢，近年來我們制定巡查表發(fā)生了多次變化，最初只記錄設(shè)備狀態(tài)，比如打印層數(shù)、氧含量等等；后來由于打印過程中產(chǎn)生大量黑渣，增加了對風(fēng)機轉(zhuǎn)速記錄的要求；由于出現(xiàn)未熔合缺陷，增加了對所有過程照片檢查并記錄粉層高度的要求。歸根到底，還是由于打印設(shè)備長時間工作穩(wěn)定性不足、設(shè)備檢測不閉環(huán)，只能通過增加人工的巡檢項來避免出現(xiàn)質(zhì)量問題。

• 第三個質(zhì)量控制要素是材料

首先材料的準(zhǔn)入門檻是很高的，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的金屬粉末并不代表著就能制造出滿足要求的產(chǎn)品。我們知道金屬粉末還要經(jīng)過激光成形、熱處理才能得到最終的產(chǎn)品性能，單次滿足產(chǎn)品性能不代表長時間重復(fù)使用仍然能夠滿足力學(xué)性能，滿足力學(xué)性能也不代表著能夠滿足熱加工工藝性能，比如增材制品后續(xù)還要經(jīng)過焊接、熱處理等過程，需要保證各個環(huán)節(jié)均無問題。因此，沒有經(jīng)過大批量的驗證、僅僅是把棒材制成粉末是遠遠不能滿足增材制造需求的。

此外，對于粉末使用的要求也很高。在增材制造的全流程，粉末使用十分繁瑣，環(huán)節(jié)眾多。打印前涉及到出庫、烘粉、上粉，打印過程涉及落粉、篩粉、上粉，打印后涉及清粉、篩粉、入庫等，過程中涉及到多種容器的反復(fù)灌裝，存在粉末浪費、粉末性能下降、不同粉末混合、粉末爆炸等一系列的質(zhì)量和安全隱患。

在如此繁瑣的流程中，任何一個環(huán)節(jié)出問題都會造成質(zhì)量問題，因此對于粉末的管理是非常嚴格的，從場地來看，不同粉末的存儲以及使用全部物理隔離，連鏟子、刷子都不能共用，烘箱、篩分機、清粉機也全部按照粉末牌號進行區(qū)分，防止粉末污染。

同時，我們制定了嚴格的粉末安全操作規(guī)程，避免粉末使用過程中的安全隱患，并長期監(jiān)控粉末過程數(shù)據(jù)，為制定粉末循環(huán)使用規(guī)范打基礎(chǔ)。

• 第四個要素是方法

首先從設(shè)計源頭就要提高產(chǎn)品的工藝性，我們編制了模型工藝性審查指南，下圖中所示是其中的不同金屬材料激光選區(qū)熔化成形極限推薦值，以此作為設(shè)計依據(jù)。

在工藝環(huán)節(jié)，我們設(shè)置了模型前處理和數(shù)控程序檢查表，根據(jù)前期的各種質(zhì)量問題、質(zhì)量案例，形成了4類20余條審查要求，避免問題重復(fù)出現(xiàn)。

同時工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。我們依據(jù)NASA的標(biāo)準(zhǔn)，制定了激光成形參數(shù)包開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)流程，摸索出全因子工藝參數(shù)邊界，在其中選取最為合適的工藝參數(shù)。

• 第五個要素環(huán)境

除了必要的保持溫濕度、避免振動等要素外，環(huán)境中安全設(shè)施非常重要。我們配備了D類滅火器、消防沙箱、粉末存儲配備防火毯隔離等等。

• 最后一個要素測量、檢測

其實增材制造的很多缺陷是相似的焊接過程和鑄造過程中所不存在的，如設(shè)備停機所產(chǎn)生的黑線，X光的表現(xiàn)形式與未熔合完全相同，但并沒有太大危害。除此之外，還有一些白線、毛邊、錯位之類的缺陷，在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中均未有表述。我們在內(nèi)部對這些缺陷做了驗證，并進行了分類，形成了產(chǎn)品驗收規(guī)范，確保質(zhì)量可控。

展望

增材制造質(zhì)量控制的發(fā)展方向必然是面向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化與低成本的協(xié)同發(fā)展。

首先，我們需要設(shè)備具備智能化監(jiān)測和更高級的閉環(huán)控制功能，提高設(shè)備的長時間工作穩(wěn)定性，避免現(xiàn)在通過工人不斷巡檢來發(fā)現(xiàn)問題、提高質(zhì)量可靠性的方式。沒有單機設(shè)備工作穩(wěn)定性的提升，增材制造自動化產(chǎn)線、大規(guī)模生產(chǎn)就是無稽之談。

其次，需要進一步推動增材制造領(lǐng)域新材料與新技術(shù)發(fā)展。通過發(fā)展工藝適應(yīng)性強、性能穩(wěn)定的新材料，在材料端避免質(zhì)量問題的發(fā)生；通過增材制造新技術(shù)發(fā)展（如光束整形技術(shù)等），提升成形質(zhì)量，降低黑渣產(chǎn)生、熔池不穩(wěn)定等風(fēng)險。

同時，需要推動全產(chǎn)業(yè)鏈條標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)共同認可的技術(shù)規(guī)范、質(zhì)量要求和行為準(zhǔn)則，對行業(yè)發(fā)展具有重要意義。針對增材制造原材料生產(chǎn)、設(shè)備研發(fā)、現(xiàn)場操作、制件檢測等全產(chǎn)業(yè)鏈條重點環(huán)節(jié)，均需發(fā)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的增材制造全流程標(biāo)準(zhǔn)體系。

最后，是要確保增材制造的低成本與高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展。質(zhì)量管控不能脫離成本控制，需要結(jié)合成本控制，明確質(zhì)量管控邊界，并通過科學(xué)的管理手段、合理的指標(biāo)需求降低生產(chǎn)成本。

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