隨著清潔能源、航空航天和國(guó)防等行業(yè)對(duì)大型金屬零部件的需求繼續(xù)上升，能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)正在牽頭進(jìn)行研究，以重新建立美國(guó)在該領(lǐng)域的制造主導(dǎo)地位。通過(guò)粉末冶金-熱等靜壓(PM-HIP)的進(jìn)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(guó)面臨著超過(guò)1萬(wàn)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(lái)增強(qiáng)過(guò)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(jī)(HIP)中進(jìn)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(huì)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(jì)靈活性，還為多材料構(gòu)建打開(kāi)了大門(mén)，這對(duì)具有嚴(yán)格性能要求的行業(yè)的應(yīng)用至關(guān)重要。

用計(jì)算模型解決收縮和一致性問(wèn)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(dá)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(lái)了挑戰(zhàn)。專(zhuān)攻計(jì)算固體力學(xué)的*研究科學(xué)家賈森·馬約爾(Mayeur)開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)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(duì)初始模具設(shè)計(jì)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(gè)可控的途徑，而傳統(tǒng)方法越來(lái)越難以獲得這些部件。”他的建模工作通過(guò)預(yù)測(cè)不同合金的變形特征和優(yōu)化熱壓循環(huán)來(lái)幫助細(xì)化過(guò)程。

為了補(bǔ)充Mayeur的計(jì)算重點(diǎn)，冶金學(xué)家Soumya Nag對(duì)PM-HIP工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，專(zhuān)注于am基膠囊的制造和對(duì)產(chǎn)生的零件質(zhì)量的評(píng)估。Nag的工作包括測(cè)試金屬粉末的機(jī)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(píng)估高溫合金方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)支持穩(wěn)健的PM-HIP程序的開(kāi)發(fā)。

Nag表示:“通過(guò)將增材制造的設(shè)計(jì)靈活性與PM-HIP的可靠性相結(jié)合，我們可以為能源和國(guó)防應(yīng)用生產(chǎn)大規(guī)模定制零部件�！庇�(jì)算預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)測(cè)試之間的合作使ORNL能夠推動(dòng)PM-HIP可能實(shí)現(xiàn)的邊界，確保它滿(mǎn)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國(guó)減少對(duì)外國(guó)供應(yīng)商的依賴(lài)，這是提高供應(yīng)鏈韌性的關(guān)鍵一步。對(duì)于核能、水力發(fā)電和航空航天部門(mén)，PM-HIP提供了一種方法來(lái)制造大型、復(fù)雜的組件，如壓力容器和葉輪，具有增強(qiáng)的材料性能，如提高韌性和抗熱疲勞性。

此外，ORNL的進(jìn)展與美國(guó)能源部對(duì)脫碳的關(guān)注一致。PM-HIP過(guò)程使高性能材料能夠在能源發(fā)電和分銷(xiāo)基礎(chǔ)設(shè)施中使用，支持向更高效、更低排放的系統(tǒng)過(guò)渡。在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)該等組件的潛力亦可減少與海外運(yùn)輸及延長(zhǎng)供應(yīng)鏈有關(guān)的碳足跡。

為了補(bǔ)充Mayeur的計(jì)算重點(diǎn)，冶金學(xué)家Soumya Nag對(duì)PM-HIP工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，專(zhuān)注于am基膠囊的制造和對(duì)產(chǎn)生的零件質(zhì)量的評(píng)估。Nag的工作包括測(cè)試金屬粉末的機(jī)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(píng)估高溫合金方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)支持穩(wěn)健的PM-HIP程序的開(kāi)發(fā)。

Nag表示:“通過(guò)將增材制造的設(shè)計(jì)靈活性與PM-HIP的可靠性相結(jié)合，我們可以為能源和國(guó)防應(yīng)用生產(chǎn)大規(guī)模定制零部件�！庇�(jì)算預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)測(cè)試之間的合作使ORNL能夠推動(dòng)PM-HIP可能實(shí)現(xiàn)的邊界，確保它滿(mǎn)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)高完整性金屬零部件的能力可能有助于美國(guó)減少對(duì)外國(guó)供應(yīng)商的依賴(lài)，這是提高供應(yīng)鏈韌性的關(guān)鍵一步。對(duì)于核能、水力發(fā)電和航空航天部門(mén)，PM-HIP提供了一種方法來(lái)制造大型、復(fù)雜的組件，如壓力容器和葉輪，具有增強(qiáng)的材料性能，如提高韌性和抗熱疲勞性

此外，ORNL的進(jìn)展與美國(guó)能源部對(duì)脫碳的關(guān)注一致。PM-HIP過(guò)程使高性能材料能夠在能源發(fā)電和分銷(xiāo)基礎(chǔ)設(shè)施中使用，支持向更高效、更低排放的系統(tǒng)過(guò)渡。在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)該等組件的潛力亦可減少與海外運(yùn)輸及延長(zhǎng)供應(yīng)鏈有關(guān)的碳足跡。

為了應(yīng)對(duì)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(huì)。在金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(huì)(Metal Powder Industries Federation)和電力研究所(Electric Power Research Institute)的支持下，該活動(dòng)旨在將制造商、研究人員和決策者聚集在一起。該研討會(huì)將側(cè)重于協(xié)作努力，以完善PM-HIP流程，并擴(kuò)大其在不同行業(yè)的適用性。

此次活動(dòng)是ORNL更廣泛倡議的一部分，得到了能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室(AMMTO)的支持，以促進(jìn)先進(jìn)制造解決方案。通過(guò)促進(jìn)更緊密的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)系和確定有針對(duì)性的研究需求，該研討會(huì)尋求推動(dòng)該技術(shù)更接近商業(yè)化。