ORNL結合3D打印和熱等靜壓創建大型金屬部件

隨著清潔能源、航空航天和國防等行業對大型金屬零部件的需求繼續上升，能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)正在牽頭進行研究，以重新建立美國在該領域的制造主導地位。通過粉末冶金-熱等靜壓(PM-HIP)的進步，加上添加劑制造(AM)技術，ORNL正在提供其認為的傳統鑄造和鍛造方法的高精度替代方案。

隨著傳統鑄造和鍛造能力在很大程度上轉移到海外，美國面臨著超過1萬磅零部件的供應鏈挑戰。ORNL的研究正在探索PM-HIP作為解決方案，利用3D打印來增強過程控制和幾何復雜性。該工藝包括使用鋼絲電弧添加劑制造(WAAM)和混合添加劑減法制造預制模具(或“罐”)，然后填充金屬粉末。

密封的模具在熱等靜壓機(HIP)中進行加熱和加壓循環。與傳統方法不同，這種固態粘接工藝將金屬粉末固化成致密、復雜的幾何形狀，而不會熔化，允許更嚴格的公差和減少孔隙率。這種方法不僅提供了設計靈活性，還為多材料構建打開了大門，這對具有嚴格性能要求的行業的應用至關重要。

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管理金屬粉末的體積收縮，在固結期間可以達到30%。這種收縮通常隨著組件幾何形狀的復雜性而變化，為保持尺寸精度帶來了挑戰。專攻計算固體力學的*研究科學家賈森·馬約爾(Mayeur)開發了預測模型，以模擬收縮在不同幾何形狀中的表現。他的模擬指導對初始模具設計的迭代調整，確保*終部分符合*的規格。

Mayeur指出:“PM-HIP為大型金屬部件的生產提供了一個可控的途徑，而傳統方法越來越難以獲得這些部件。”他的建模工作通過預測不同合金的變形特征和優化熱壓循環來幫助細化過程。

為了補充Mayeur的計算重點，冶金學家Soumya Nag對PM-HIP工藝進行了實驗研究，專注于am基膠囊的制造和對產生的零件質量的評估。Nag的工作包括測試金屬粉末的機械性能，確保材料在熱等靜壓工藝的苛刻條件下可靠地工作。他在表征微觀結構和評估高溫合金方面的專業知識支持穩健的PM-HIP程序的開發。

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，我們可以為能源和國防應用生產大規模定制零部件。”計算預測和經驗測試之間的合作使ORNL能夠推動PM-HIP可能實現的邊界，確保它滿足關鍵基礎設施所需的嚴格標準。

戰略性行業應用和脫碳目標

PM-HIP在國內生產高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國減少對外國供應商的依賴，這是提高供應鏈韌性的關鍵一步。對于核能、水力發電和航空航天部門，PM-HIP提供了一種方法來制造大型、復雜的組件，如壓力容器和葉輪，具有增強的材料性能，如提高韌性和抗熱疲勞性。

此外，ORNL的進展與美國能源部對脫碳的關注一致。PM-HIP過程使高性能材料能夠在能源發電和分銷基礎設施中使用，支持向更高效、更低排放的系統過渡。在當地生產該等組件的潛力亦可減少與海外運輸及延長供應鏈有關的碳足跡。

為了補充Mayeur的計算重點，冶金學家Soumya Nag對PM-HIP工藝進行了實驗研究，專注于am基膠囊的制造和對產生的零件質量的評估。Nag的工作包括測試金屬粉末的機械性能，確保材料在熱等靜壓工藝的苛刻條件下可靠地工作。他在表征微觀結構和評估高溫合金方面的專業知識支持穩健的PM-HIP程序的開發。

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，我們可以為能源和國防應用生產大規模定制零部件。”計算預測和經驗測試之間的合作使ORNL能夠推動PM-HIP可能實現的邊界，確保它滿足關鍵基礎設施所需的嚴格標準。

戰略性行業應用和脫碳目標

PM-HIP在國內生產高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國減少對外國供應商的依賴，這是提高供應鏈韌性的關鍵一步。對于核能、水力發電和航空航天部門，PM-HIP提供了一種方法來制造大型、復雜的組件，如壓力容器和葉輪，具有增強的材料性能，如提高韌性和抗熱疲勞性

此外，ORNL的進展與美國能源部對脫碳的關注一致。PM-HIP過程使高性能材料能夠在能源發電和分銷基礎設施中使用，支持向更高效、更低排放的系統過渡。在當地生產該等組件的潛力亦可減少與海外運輸及延長供應鏈有關的碳足跡。

為了應對剩余的技術挑戰并加快行業采用，ORNL將于2024年10月9日至10日在其制造演示設施(MDF)舉辦PM-HIP研討會。在金屬粉末工業聯合會(Metal Powder Industries Federation)和電力研究所(Electric Power Research Institute)的支持下，該活動旨在將制造商、研究人員和決策者聚集在一起。該研討會將側重于協作努力，以完善PM-HIP流程，并擴大其在不同行業的適用性。

此次活動是ORNL更廣泛倡議的一部分，得到了能源部先進材料和制造技術辦公室(AMMTO)的支持，以促進先進制造解決方案。通過促進更緊密的產學研聯系和確定有針對性的研究需求，該研討會尋求推動該技術更接近商業化。

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