航空增材制造适航认证的国际实践洞察——蒙纳士大学黄爱军教授专访

在民用航空制造领域，增材制造技术正以前所未有的速度从研发走向产业化应用。然而，面对适航认证的严格要求与长周期验证，如何平衡材料创新与飞行安全？如何通过增材制造技术挖掘传统“老牌”材料的潜力？这些问题成为行业发展的关键。

3D科学谷在第五届航空航天增材制造大会(AAMC2025）期间，专访了金属增材制造与材料专家——蒙纳士大学（Monash University）黄爱军教授。黄教授从民用航空产业化需求及增材制造技术产业化推动的角度出发，就国际民航企业在适航认证中的分步骤推动策略，钛合金等增材制造材料的产业化应用、结构功能一体化材料的未来趋势等核心议题，展开了极具国际视野的洞察分析。

黄爱军 教授

在您看来，一款理想的增材制造钛合金粉末，其核心指标有哪些？

黄爱军教授：核心指标有很多，但是如果从产业化、规模化应用的角度来讲，在材料性能能够达到航空应用要求的基础上具有经济性，是一项核心指标。无论是在航空领域还是3C电子等民用领域，经济性都是一项核心指标。

进一步来说，首先是钛合金粉末材料能够以经济的方式被制造出来，技术成熟度高、整体收得率有保障，市场上能够形成稳定的供应。再就是具有很好的可回收利用性。还有一项重要指标是粉末材料的可加工性，例如流动性好，适合增材制造，打印缺陷少等等。

 航空领域最广泛使用的钛合金增材制造材料是什么？

黄爱军教授：在航空领域，特别是民用航空领域，TC4 (Ti-6Al-4V)钛合金以其可制造性、可回收性，成为很多应用单位的研究热点。

您在大会期间做了题为 《面向增材制造的商用航空航天高强度高韧性钛合金开发》的大会报告。高强度和高韧性往往是一对矛盾体，您认为在开发高强度高韧性增材制造钛合金材料过程中的挑战是什么？

黄爱军教授：通常来说，细小组织带来高强度，粗大组织带来高韧性，二者难以兼得。增材制造本质上来讲是一个熔化凝固的过程，具有快速凝固的特性，这恰好能为我们提供获得高强度的细小初始组织，然后再通过精准的热处理这一后续手段，有针对性地引入粗大韧性相，从而在微观上实现强度与韧性的协同。在宏观上来看，增材制造允许我们进行复杂的个性化结构设计。这意味着我们可以超越材料本身的局限，通过拓扑优化、点阵结构或梯度设计，在需要高强度的部位布置高强度特性，在需要高韧性的部位布置高韧性特性，从结构设计上解决性能的矛盾。

如果设计开发新型合金材料，可能会获得更好的性能，但是从产业化实现的角度来看，这一路径是非常难的。因为在民航领域，每架飞机将要飞行25-30年左右，即使是20年以后出现问题，仍会追溯到材料的问题。所以出于对飞行安全性的考虑，民用航空制造领域对于新型合金材料的使用非常谨慎。一款新型合金材料，从专利形成到最终被允许应用，周期可长达15年。所以如果从产业化的角度来看，更好的方式是思考如何对传统牌号的材料进行新工艺的挖掘。比如通过结构设计，利用增材制造技术对钛合金组织进行调控，获得强韧性的匹配。航天制造领域会所有不同，新型合金材料在这个领域的应用机会相对多一些。

  作为在航空制造领域有着丰富经验的材料专家，您认为在适航认证时最耗时、最具挑战性的环节是什么？

黄爱军教授：最耗时最挑战的环节是对安全性的认知，也就是说怎样证明材料是安全的。国际上的民航制造业经过多年实践，积累了经验。当我们提到适航认证，实际上是对于飞机零件的认证，这涉及到三个方面：材料、工艺与设计。而增材制造-3D打印技术同时涉及到了这三个要素。首先，增材制造是一种制造工艺。同时，如果将这一工艺的价值发挥到最大，还需要开展面向增材制造的设计。如果在零件增材制造时使用了新型材料，那就又增加了一个需要确认安全性的要素。所以最稳妥的方式，就是分步骤、一步一步来解这个题，把风险降到最低。

第一步，也是最基础的一步，是先把“制造工艺”这个环节的安全性证明清楚。一个策略是：“旧瓶装新酒”，继续使用那些久经考验的“传统材料”和“传统设计”，唯一的变化是把制造工艺换成增材制造。这样一来，我们需要集中精力证明的，只有“增材制造这个新工艺本身是否安全可靠”这一个问题。波音首款获得适航认证的增材制造零件就采用了这种做法，很快获得批准后，已经投入了使用。

第二步，在工艺被证明可靠的基础上尝试“设计优化”，发挥3D打印的优势，比如通过拓扑优化、点阵结构等面向增材制造的设计，来实现减重、集成功能等附加值。其中有一种做法是，先从一些非承力或次承力的增材制造零件（比如一些舱门内部的零件）开始用新设计。您可能会问，这些零件不怎么受力，怎么证明安全性呢？其实，这一步的重点在于证明这些新设计本身（比如拓扑优化后的形状）在飞机上的安全表现。当然，如果反过来看，用第一步已验证过的工艺去制造承力零件，是证明工艺安全性的更有效途径。

第三步，才是考虑引入全新的材料。这是挑战最大的一步。因为一旦引入新合金，就意味着材料、工艺、设计三个要素全是新的，需要验证的复杂性会成倍增加。所以如果从产业化的现实角度出发，如何通过工艺和设计的创新，把传统牌号材料的潜力挖掘到极致是我们更需要思考的问题。

展望未来5-10年，除了钛合金，您认为哪些金属材料在航空航天增材制造中最有应用潜力？

黄爱军教授：展望未来5-10年，我认为有几种金属材料展现出应用潜力。

首先，从材料体系的发展趋势来看，增材制造不仅为传统结构件的设计优化提供了新路径，另一个重要趋势是推动结构材料走向功能化。这意味着，未来的材料将越来越难以被简单划分为“结构材料”或“功能材料”，它们需要同时满足结构的承载需求和特定的功能性需求。

在这一趋势下，一个非常有潜力的方向是将导热、导电或导磁等功能性材料，与承力的结构材料通过增材制造技术结合在一起，实现功能结构一体化。一个典型的例子就是业界常提到的，NASA通过将高温合金与铜合金进行复合增材制造所制备出的火箭发动机部件。

如果单从材料类别本身来看，除了传统的高温合金和钛合金，以下几类材料展现出了潜力：

铜合金：其潜力在于能够将良好的强度与优异的导热性能进行匹配。这使得它能够制造需要高效散热的关键结构功能一体化部件。具有导热功能的铜材料，通过合金化的手段提升其结构强度，使其兼具良好的功能性与必要的结构特征，是其中一个重要的研究热点。

钛铝合金、高熵合金等低塑性材料：这类材料通常具备优异的高温性能，但难以通过传统工艺进行加工。因此，如何实现这类材料的增材制造，并保证其性能，是目前的研究热点之一。

需要强调的是，在面对航空航天领域的极端环境时，往往无法单靠材料本身满足所有要求。这时，增材制造技术提供了一个独特的解决方案：它将材料开发与精巧的结构设计能力紧密结合。通过设计复杂的内部结构（如冷却流道）来弥补或增强材料的某些性能，使得制造出满足极端工况的部件成为可能。因此，对于这类挑战，增材制造已不仅仅是一个“可选项”，而越来越成为一个“必选项”。

   蒙纳士大学及工学部和蒙纳士增材制造中心（MCAM）与中国有哪些国际合作？

黄爱军教授：蒙纳士增材制造中心（MCAM）是工学部最大的研究中心，也是全校最大的研究中心之一，是对外交流、促进国际合作的窗口。在国际合作方面，蒙纳士大学与中国很多大学有着超过二十年的合作，比如与中南大学的合作、武汉理工大学的合作等。在过去的三年中，工学部与中国接近20所大学建立了合作伙伴关系。此外，中国是蒙纳士大学国际留学生最多的区域，也是唯一在中国设立校区的澳洲大学。

黄爱军教授 分别于东北大学，中科院金属研究所及英国伯明翰大学获得工学学士、硕士及博士学位。他是英国材料、矿业与矿物学协会的会士、特许工程师和特许科学家。他目前担任蒙纳士大学（Monash University）工学部分管外事的副院长，负责工学领域校际合作、企业合作，政府关系等国际合作事宜。同时他也是材料科学工程学院、机械及航空工程学院双聘终身教授、蒙纳士大学25个校级交叉研究中心之一的蒙纳士增材制造中心（MCAM）主任，中心过去十年中获得工业界及澳洲研究理事会（ARC）各类面上，重点研发及大型科学仪器研究项目30余项，研究经费超过2000万澳元。

黄爱军教授2017年及2020年度两次分别获得蒙纳士校长杰出研究奖及工学部部长杰出研究奖。在加入蒙纳士大学之前，黄爱军教授曾担任多家跨国公司的行业技术专家。黄教授曾担任宝钢集团高性能材料事业部的执行副总裁。从2006年到2012年，黄教授曾担任英国罗罗公司钛合金技术专家，负责公司全球钛和钛铝材料的基础研究，他还于2011年入选罗罗公司工程青年领袖培养计划。黄爱军教授的研究涵盖了金属增材制造的整个领域。他的研究工作包括：增材制造专用合金设计；金属粉末制造技术；增材制造的零件设计；增材制造过程的优化；增材制造后处理工艺的开发，包括最终增材制造零件的检验、质量认证以及适航认证研究。此外，他的研究领域还包括传统航空金属材料的物理冶金及加工工艺研究。