ORNL結合3D打印和HIP技術制造大型金屬零件

2024年10月8日，南極熊獲悉，隨著清潔能源、航空航天和國防等領域對大型金屬部件需求的不斷增長，美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 通過結合粉末冶金熱等靜壓 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技術，提供了一種高精度替代傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法的方案。



由于傳統(tǒng)的鑄造和鍛造能力大多已轉移至海外，美國的供應鏈難以供應重量超過1萬磅的部件。ORNL研究了PM-HIP，利用3D打印技術增強工藝控制和實現更復雜的幾何結構。該過程使用電弧增材制造（WAAM）和混合增材-減材方法制造預成型模具（即“罐體”），然后填充金屬粉末。密封的模具在熱等靜壓機（HIP）中經歷加熱和加壓循環(huán)。與傳統(tǒng)方法不同，這種固態(tài)結合工藝無需熔化即可將金屬粉末固結成致密、復雜的幾何形狀，允許更嚴格的公差并減少孔隙率。該方法不僅提供了設計靈活性，還為多材料構建打開了大門，對高性能要求嚴格的行業(yè)應用至關重要。

利用計算模型解決收縮和一致性問題

PM-HIP的主要技術障礙之一是處理金屬粉末在固結過程中高達30%的體積收縮。由于部件幾何結構的復雜性，這種收縮往往會發(fā)生變化，給維持尺寸精度帶來挑戰(zhàn)。計算固體力學領域的高級研究科學家Jason Mayeur開發(fā)了預測模型，用于模擬不同幾何形狀下的收縮行為。模型能夠模擬指導初始模具設計進行迭代調整，確保最終部件符合精確規(guī)格。

Mayeur表示：“PM-HIP為生產大型金屬部件提供了一條受控途徑，而這些部件通過傳統(tǒng)方法已變得越來越難以獲取。預測模型有助于通過預測變形特性和優(yōu)化不同合金的加熱和加壓循環(huán)來完善工藝?！?br />


與Mayeur的計算研究相輔相成，冶金學家Soumya Nag在PM-HIP工藝方面開展了實驗研究，重點關注基于增材制造的膠囊制作和最終部件質量評估。Nag的工作涉及測試金屬粉末的機械性能，確保材料在HIP工藝的苛刻條件下可靠運行。他在微觀結構表征和高溫合金評估方面的專業(yè)知識支持了穩(wěn)健的PM-HIP工藝開發(fā)。

Nag表示：“通過將增材制造的設計靈活性與PM-HIP的可靠性相結合，我們可以生產針對能源和國防應用的大型定制部件?！庇嬎泐A測與實證測試的合作使ORNL能夠突破PM-HIP的可能性界限，確保其滿足關鍵基礎設施所需的嚴格標準。

戰(zhàn)略產業(yè)應用和脫碳目標



PM-HIP在國內生產高完整性金屬部件的能力有助于美國減少對外國供應商的依賴，這對于增強供應鏈彈性至關重要。對于核能、水力發(fā)電和航空航天領域，PM-HIP提供了一種制造大型復雜部件的方法，如壓力容器和葉輪，并具有改進的材料性能，例如更高的韌性和抗熱疲勞性。

此外，ORNL的進展與美國能源部的脫碳重點相一致。PM-HIP工藝使高性能材料在能源生產和輸配基礎設施中的應用成為可能，支持向更高效、排放更低的系統(tǒng)轉變。在本地生產此類部件還有助于減少與海外運輸和冗長供應鏈相關的碳足跡。



為了解決剩余的技術挑戰(zhàn)并加速行業(yè)采納，ORNL將于2024年10月9日至10日在其制造示范設施（MDF）舉辦PM-HIP研討會。該活動由金屬粉末工業(yè)聯(lián)盟和電力研究院支持，旨在匯集制造商、研究人員和政策制定者。研討會將重點關注合作努力，完善PM-HIP工藝并擴大其在各行業(yè)的適用性。

此次活動是ORNL更廣泛倡議的一部分，該倡議由能源部先進材料和制造技術辦公室（AMMTO）支持，旨在推動先進制造解決方案。通過促進產業(yè)與學術界的緊密合作并確定有針對性的研究需求，研討會旨在推動技術向商業(yè)化邁進。