深度解析国外增材制造技术标准

亚洲工业网讯 结合了数字化设计、制造技术，激光、电子束等高能束流工艺的增材制造技术经过十几年的发展，正在走出实验室步入实际应用，其发展前景受到美国政府和军方高度重视，并作为支撑振兴美国制造业国家战略的主要措施得到政府和军方大力支持。随着增材制造技术的日臻成熟，近年来与之相关的标准化工作也日趋活跃。

1 增材制造技术标准的发展 

2002年，美国汽车工程师协会（SAE）发布了第一个增材制造技术标准——宇航材料规范AMS 4999《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》，以及与该标准配套的宇航材料规范AMS 4998《Ti-6Al-4V钛合金粉末》。为了推动军民融合，上世纪90年代起，美国军用标准体系中与材料相关的军用规范开始转化为宇航材料规范AMS。目前，宇航材料规范已经成为美国军用航空航天材料标准的主体。增材制造技术宇航材料规范的颁布，是该技术在美国航空航天领域走向实际应用的重要标志。

2011年，AMS 4999被AMS 4999A代替，新版标准的名称更改为《退火Ti-6Al-4V钛合金直接沉积产品》，扩大了工艺种类，补充了新的技术要求，完善了质量保证要求等技术内容。 2009年，美国材料与试验协会（ASTM）成立了专门的增材制造技术委员会ASTM F-42，下设试验方法、设计、材料和工艺、人员、术语等分委员会。目前，该委员会包括来自10个国家的100多个成员单位。

ASTM F- 42已经颁布了4项标准，包括术语、文件格式等基础标准和产品标准，正在制订 中的标准涵盖了基础标准、产品标准和设计指南，构成了较为完整的基础标准体系和开放的产品标准体系，详见表1。从标准体系构成上看，该技术委员会注重术语、文件格式、设计指南等基础标准制订，这既是增材制造技术领域新概念、新方法数量众多的反映，也是该技术进入大范围应用的客观需要。从正在开展的工作看，近期将会有较多新的产品标准颁布，其中大部分是激光和电子束铺粉熔覆工艺制造的钛合金和高温合金产品，这对我国相关技术的开发具有一定的借鉴作用。

2011年，国际标准化组织（ISO）也成立了增材制造技术委员会ISO TC 261，下设术语，方法、工艺和材料，试验方法，数据处理等分委员会/工作组。ISO TC 261目前有14个成员国和6个观察员国，并与ASTM - F42在制订增材制造技术标准方面开展了合作，正在开展工作的增材制造标准项目见表1。目前，ISO TC 261的一项工作是ISO 17296《增材制造——快速技术（快速原型制造）》的制订工作。

该标准包括术语，方法、工艺和材料，试验方法，以及数据处理等4个部分，分别处于新项目建议（NP）和委员会草案（CD）等标准制订的前期阶段。需要指出的是，快速原型制造是当前增材制造技术应用的主要方向，但增材制造技术应用范围不限于快速原型制造。ISO TC 261正在开展的另一部分工作是将ASTM已颁布的增材制造技术术语、文件格式等3项基础标准转化为ISO标准。这3项标准已经进入到成员国对标准草案（DIS）进行质询和对最终草案（FDIS）进行投票的阶段。但是，ISO TC 261未对ASTM 已经颁布的增材制造产品标准ASTM F2924 - 12进行转化。

2 AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V钛合金直接沉积产品》分析

2.1  适用范围和工艺

Ti-6Al-4V是航空航天领域应用最广泛的中等强度钛合金，我国对应的材料牌号是TC4。 直接沉积是送料（粉、丝）与熔化同步进行的增材制造工艺。 标准规定的产品用途为机械加工毛坯或锻造毛坯。直接沉积的增材制造的钛合金产品一般在机械加工后使用，但在美国也有用于锻件毛坯再进行模锻改进组织和性能的相关研究报道。 标准规定的填充材料为粉末和丝材两种，基体材料包括Ti-6Al-4V钛合金厚板、棒材、锻件、型材、热等静压精铸件和冷床炉一次熔炼板材等品种。与AMS 4999只有厚板一个品种相比，适用的基体材料范围更广。 标准中规定的熔化热源为激光和电子束两种，新增加了电子束工艺，表明电子束增材制造工艺也已经成为一种成熟的工艺。 标准规定了产品的退火和热等静压工艺制度，以及退火或热等静压后的时效制度。标准规定的Ti-6Al-4V钛合金直接沉积产品的退火加热温度为900℃~925℃，而变形产品一般采用700℃~790℃范围内加热的普通退火制度。标准增加了沉积工艺过程中制件的消除应力退火制度及要求，反映了在控制残余应力、减少变形方面工作的进展。

表2

2.2  组织性能要求 

标准规定Ti-6Al-4V钛合金直接沉积产品的组织为β相基体上分布针状α相组织。同时明确规定，只要性能符合要求，沉积区允许存在柱状晶组织。  新的标准AMS 4999A和原标准AMS 4999对拉伸性能的要求列在了表2中。为了便于比较，表2中还列出了AMS 4928Q《Ti-6Al-4V钛合金退火棒、丝、锻件、环和拉拔型材》标准中规定的变形产品的拉伸性能要求。表中材料性能取样方向的规定见图1。 由表2可见，标准的性能要求有较大变化。一是原标准将X向性能归为一组，性能要求最高；Y向和Z向性能归为一组，性能要求较低。新的标准将X向和Y向性能归为一组，Z向单独归为一组。从性能指标要求上看，X向拉伸强度变化较小， Z向拉伸强度和屈服强度分别提高了20MPa。

按现行的AMS材料标准关于拉伸性能指标要求的规定，材料拉伸强度、屈服强度和延伸率等性能指标要求采用统计计算分析得到的A基值。由于缺少数据，原标准AMS 4999中，Y向性能采用的是保证值（S值）。通过数据的积累，在新的标准中Y向性能采用了A基值。由于直接沉积产品没有塑性加工引起的各向异性，新的标准关于拉伸性能要求的规定揭示了，在X向和Y向构成的沉积平面上，拉伸性能没有明显的方向性。

由于标准规定，Z向拉伸性能试验的试样应当包括基体材料与沉积层的界面，因此Z向拉伸性能与X向和Y向的差别，可能更多的是反映了基体材料与沉积层界面的影响。 新的标准和原标准性能指标的差异，可能也反映了工艺进步和电子束工艺方法引入等因素对力学性能指标的综合影响。 与表2中列出的锻件等变形产品的拉伸性能指标要求相比，直接沉积产品的塑性指标延伸率的要 求较低。 标准中新增加了断裂韧度要求：KIC不低于66MPa-mm1/2、KIVM不低于82.5MPa-mm1/2。从断裂韧度KIC指标要求看， Ti-6Al-4V钛合金直接沉积 产品的断裂韧度与常规Ti-6Al-4V钛合金模锻件的断裂韧度处于相同水平。

2.3  内部质量要求

关于内部质量要求，原标准只有一条不允许有对使用有害的外来材料、不完整和孔洞等缺陷的定性规定。新的标准中增加了超声波检查和射线检查的内容，完善了对内部质量的要求。 标准规定产品的超声检查按AMS2631《钛和钛合金棒材和坯料超声波检查》标准沿Z向进行，产品厚度6mm~102mm应当满足A1级要求就（单个缺陷当量平底孔直径不超过1.2mm），厚度102 mm~152mm应当满足 A级要求（单个缺陷当量平底孔直径不超过2mm）。 标准规定产品的射线检查按ASTM E 1742《射线检查》标准，在粗加工或精加工状态的沉积部分上进行。标准规定产品上不允许有裂纹和未完全熔化，以及对孔洞和夹杂缺陷的要求：单个孔洞和夹 杂的最大尺寸不能超过1.5mm和0.3倍厚度。值得注意的是，标准要求射线检查在热等静压前进行，只检查5个连续生产批次。因此，可以认为射线检查主要目的是为了验证直接沉积工艺。

与变形产品只进行超声检查、铸造产品只进行射线检查不同，标准规定直接沉积产品两项检查都需要进行，这反映了直接沉积产品的组织和缺陷的特点，对保证航空航天产品使用安全有积极意义。