ORNL結(jié)合3D打印和HIP技術(shù)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(lǐng)域?qū)Υ笮徒饘俨考�需求的不斷增長，美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 通過結(jié)合粉末冶金熱等靜壓 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技術(shù)，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(zhuǎn)移至海外，美國的供應(yīng)鏈難以供應(yīng)重量超過1萬磅的部件。ORNL研究了PM-HIP，利用3D打印技術(shù)增強(qiáng)工藝控制和實現(xiàn)更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。該過程使用電弧增材制造（WAAM）和混合增材-減材方法制造預(yù)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(jī)（HIP）中經(jīng)歷加熱和加壓循環(huán)。與傳統(tǒng)方法不同，這種固態(tài)結(jié)合工藝無需熔化即可將金屬粉末固結(jié)成致密、復(fù)雜的幾何形狀，允許更嚴(yán)格的公差并減少孔隙率。該方法不僅提供了設(shè)計靈活性，還為多材料構(gòu)建打開了大門，對高性能要求嚴(yán)格的行業(yè)應(yīng)用至關(guān)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(shù)障礙之一是處理金屬粉末在固結(jié)過程中高達(dá)30%的體積收縮。由于部件幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)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(xué)領(lǐng)域的高級研究科學(xué)家Jason Mayeur開發(fā)了預(yù)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(dǎo)初始模具設(shè)計進(jìn)行迭代調(diào)整，確保最終部件符合精確規(guī)格。

Mayeur表示：“PM-HIP為生產(chǎn)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(yù)測模型有助于通過預(yù)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。“



與Mayeur的計算研究相輔相成，冶金學(xué)家Soumya Nag在PM-HIP工藝方面開展了實驗研究，重點關(guān)注基于增材制造的膠囊制作和最終部件質(zhì)量評估。Nag的工作涉及測試金屬粉末的機(jī)械性能，確保材料在HIP工藝的苛刻條件下可靠運(yùn)行。他在微觀結(jié)構(gòu)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(shè)計靈活性與PM-HIP的可靠性相結(jié)合，我們可以生產(chǎn)針對能源和國防應(yīng)用的大型定制部件�！庇嬎泐A(yù)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(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和脫碳目標(biāo)



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

此外，ORNL的進(jìn)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(chǎn)和輸配基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用成為可能，支持向更高效、排放更低的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。在本地生產(chǎn)此類部件還有助于減少與海外運(yùn)輸和冗長供應(yīng)鏈相關(guān)的碳足跡。



為了解決剩余的技術(shù)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(shè)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(guān)注合作努力，完善PM-HIP工藝并擴(kuò)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(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室（AMMTO）支持，旨在推動先進(jìn)制造解決方案。通過促進(jìn)產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)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(shù)向商業(yè)化邁進(jìn)。