ORNL結(jié)合3D打印和熱等靜壓創(chuàng)建大型金屬部件

隨著清潔能源、航空航天和國防等行業(yè)對大型金屬零部件的需求繼續(xù)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(lǐng)域的制造主導(dǎo)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(shù)，ORNL正在提供其認(rèn)為的傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法的高精度替代方案。

隨著傳統(tǒng)鑄造和鍛造能力在很大程度上轉(zhuǎn)移到海外，美國面臨著超過1萬磅零部件的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。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(fù)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(yù)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(huán)。與傳統(tǒng)方法不同，這種固態(tài)粘接工藝將金屬粉末固化成致密、復(fù)雜的幾何形狀，而不會熔化，允許更嚴(yán)格的公差和減少孔隙率。這種方法不僅提供了設(shè)計靈活性，還為多材料構(gòu)建打開了大門，這對具有嚴(yán)格性能要求的行業(yè)的應(yīng)用至關(guān)重要。

用計算模型解決收縮和一致性問題

PM-HIP的主要技術(shù)障礙之一是管理金屬粉末的體積收縮，在固結(jié)期間可以達到30%。這種收縮通常隨著組件幾何形狀的復(fù)雜性而變化，為保持尺寸精度帶來了挑戰(zhàn)。專攻計算固體力學(xué)的*研究科學(xué)家賈森·馬約爾(Mayeur)開發(fā)了預(yù)測模型，以模擬收縮在不同幾何形狀中的表現(xiàn)。他的模擬指導(dǎo)對初始模具設(shè)計的迭代調(diào)整，確保*終部分符合*的規(guī)格。

Mayeur指出:“PM-HIP為大型金屬部件的生產(chǎn)提供了一個可控的途徑，而傳統(tǒng)方法越來越難以獲得這些部件�！彼�的建模工作通過預(yù)測不同合金的變形特征和優(yōu)化熱壓循環(huán)來幫助細(xì)化過程。

為了補充Mayeur的計算重點，冶金學(xué)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(chǎn)生的零件質(zhì)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(jié)構(gòu)和評估高溫合金方面的專業(yè)知識支持穩(wěn)健的PM-HIP程序的開發(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，我們可以為能源和國防應(yīng)用生產(chǎn)大規(guī)模定制零部件。”計算預(yù)測和經(jīng)驗測試之間的合作使ORNL能夠推動PM-HIP可能實現(xiàn)的邊界，確保它滿足關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

戰(zhàn)略性行業(yè)應(yīng)用和脫碳目標(biāo)

PM-HIP在國內(nèi)生產(chǎn)高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國減少對外國供應(yīng)商的依賴，這是提高供應(yīng)鏈韌性的關(guān)鍵一步。對于核能、水力發(fā)電和航空航天部門，PM-HIP提供了一種方法來制造大型、復(fù)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(guān)注一致。PM-HIP過程使高性能材料能夠在能源發(fā)電和分銷基礎(chǔ)設(shè)施中使用，支持向更高效、更低排放的系統(tǒng)過渡。在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)該等組件的潛力亦可減少與海外運輸及延長供應(yīng)鏈有關(guān)的碳足跡。

為了補充Mayeur的計算重點，冶金學(xué)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(chǎn)生的零件質(zhì)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(jié)構(gòu)和評估高溫合金方面的專業(yè)知識支持穩(wěn)健的PM-HIP程序的開發(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，我們可以為能源和國防應(yīng)用生產(chǎn)大規(guī)模定制零部件。”計算預(yù)測和經(jīng)驗測試之間的合作使ORNL能夠推動PM-HIP可能實現(xiàn)的邊界，確保它滿足關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

戰(zhàn)略性行業(yè)應(yīng)用和脫碳目標(biāo)

PM-HIP在國內(nèi)生產(chǎn)高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國減少對外國供應(yīng)商的依賴，這是提高供應(yīng)鏈韌性的關(guān)鍵一步。對于核能、水力發(fā)電和航空航天部門，PM-HIP提供了一種方法來制造大型、復(fù)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(guān)注一致。PM-HIP過程使高性能材料能夠在能源發(fā)電和分銷基礎(chǔ)設(shè)施中使用，支持向更高效、更低排放的系統(tǒng)過渡。在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)該等組件的潛力亦可減少與海外運輸及延長供應(yīng)鏈有關(guān)的碳足跡。

為了應(yīng)對剩余的技術(shù)挑戰(zhàn)并加快行業(yè)采用，ORNL將于2024年10月9日至10日在其制造演示設(shè)施(MDF)舉辦PM-HIP研討會。在金屬粉末工業(yè)聯(lián)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(cè)重于協(xié)作努力，以完善PM-HIP流程，并擴大其在不同行業(yè)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(shù)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(chǎn)學(xué)研聯(lián)系和確定有針對性的研究需求，該研討會尋求推動該技術(shù)更接近商業(yè)化。