ORNL结合3D打印和热等静压创建大型金属部件

随着清洁能源、航空航天和国防等行业对大型金属零部件的需求继续上升，能源部橡树岭国家实验室(ORNL)正在牵头进行研究，以重新建立美国在该领域的制造主导地位。通过粉末冶金-热等静压(PM-HIP)的进步，加上添加剂制造(AM)技术，ORNL正在提供其认为的传统铸造和锻造方法的高精度替代方案。

随着传统铸造和锻造能力在很大程度上转移到海外，美国面临着超过1万磅零部件的供应链挑战。ORNL的研究正在探索PM-HIP作为解决方案，利用3D打印来增强过程控制和几何复杂性。该工艺包括使用钢丝电弧添加剂制造(WAAM)和混合添加剂减法制造预制模具(或“罐”)，然后填充金属粉末。

密封的模具在热等静压机(HIP)中进行加热和加压循环。与传统方法不同，这种固态粘接工艺将金属粉末固化成致密、复杂的几何形状，而不会熔化，允许更严格的公差和减少孔隙率。这种方法不仅提供了设计灵活性，还为多材料构建打开了大门，这对具有严格性能要求的行业的应用至关重要。

用计算模型解决收缩和一致性问题

PM-HIP的主要技术障碍之一是管理金属粉末的体积收缩，在固结期间可以达到30%。这种收缩通常随着组件几何形状的复杂性而变化，为保持尺寸精度带来了挑战。专攻计算固体力学的*研究科学家贾森·马约尔(Mayeur)开发了预测模型，以模拟收缩在不同几何形状中的表现。他的模拟指导对初始模具设计的迭代调整，确保*终部分符合*的规格。

Mayeur指出:“PM-HIP为大型金属部件的生产提供了一个可控的途径，而传统方法越来越难以获得这些部件。”他的建模工作通过预测不同合金的变形特征和优化热压循环来帮助细化过程。

为了补充Mayeur的计算重点，冶金学家Soumya Nag对PM-HIP工艺进行了实验研究，专注于am基胶囊的制造和对产生的零件质量的评估。Nag的工作包括测试金属粉末的机械性能，确保材料在热等静压工艺的苛刻条件下可靠地工作。他在表征微观结构和评估高温合金方面的专业知识支持稳健的PM-HIP程序的开发。

Nag表示:“通过将增材制造的设计灵活性与PM-HIP的可靠性相结合，我们可以为能源和国防应用生产大规模定制零部件。”计算预测和经验测试之间的合作使ORNL能够推动PM-HIP可能实现的边界，确保它满足关键基础设施所需的严格标准。

战略性行业应用和脱碳目标

PM-HIP在国内生产高完整性金属零部件的能力可能有助于美国减少对外国供应商的依赖，这是提高供应链韧性的关键一步。对于核能、水力发电和航空航天部门，PM-HIP提供了一种方法来制造大型、复杂的组件，如压力容器和叶轮，具有增强的材料性能，如提高韧性和抗热疲劳性。

此外，ORNL的进展与美国能源部对脱碳的关注一致。PM-HIP过程使高性能材料能够在能源发电和分销基础设施中使用，支持向更高效、更低排放的系统过渡。在当地生产该等组件的潜力亦可减少与海外运输及延长供应链有关的碳足迹。

为了补充Mayeur的计算重点，冶金学家Soumya Nag对PM-HIP工艺进行了实验研究，专注于am基胶囊的制造和对产生的零件质量的评估。Nag的工作包括测试金属粉末的机械性能，确保材料在热等静压工艺的苛刻条件下可靠地工作。他在表征微观结构和评估高温合金方面的专业知识支持稳健的PM-HIP程序的开发。

Nag表示:“通过将增材制造的设计灵活性与PM-HIP的可靠性相结合，我们可以为能源和国防应用生产大规模定制零部件。”计算预测和经验测试之间的合作使ORNL能够推动PM-HIP可能实现的边界，确保它满足关键基础设施所需的严格标准。

战略性行业应用和脱碳目标

PM-HIP在国内生产高完整性金属零部件的能力可能有助于美国减少对外国供应商的依赖，这是提高供应链韧性的关键一步。对于核能、水力发电和航空航天部门，PM-HIP提供了一种方法来制造大型、复杂的组件，如压力容器和叶轮，具有增强的材料性能，如提高韧性和抗热疲劳性

此外，ORNL的进展与美国能源部对脱碳的关注一致。PM-HIP过程使高性能材料能够在能源发电和分销基础设施中使用，支持向更高效、更低排放的系统过渡。在当地生产该等组件的潜力亦可减少与海外运输及延长供应链有关的碳足迹。

为了应对剩余的技术挑战并加快行业采用，ORNL将于2024年10月9日至10日在其制造演示设施(MDF)举办PM-HIP研讨会。在金属粉末工业联合会(Metal Powder Industries Federation)和电力研究所(Electric Power Research Institute)的支持下，该活动旨在将制造商、研究人员和决策者聚集在一起。该研讨会将侧重于协作努力，以完善PM-HIP流程，并扩大其在不同行业的适用性。

此次活动是ORNL更广泛倡议的一部分，得到了能源部先进材料和制造技术办公室(AMMTO)的支持，以促进先进制造解决方案。通过促进更紧密的产学研联系和确定有针对性的研究需求，该研讨会寻求推动该技术更接近商业化。

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