美国ORNL研发PM-HIP技术推动高精度大型金属部件制造

随着清洁能源、航空航天和国防等领域对大型金属部件的需求不断增长，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL) 正在带头开展研究，以重新确立美国在该领域的制造业主导地位。通过粉末冶金-热等静压 (PM-HIP) 技术的进步，结合增材制造 (AM) 技术，ORNL 正在提供一种高精度替代传统铸造和锻造方法的方法。

由于传统铸造和锻造能力已大量转移到海外，美国面临着超过 10,000 磅的零部件供应链挑战。ORNL 的研究正在探索 PM-HIP 作为解决方案，利用 3D 打印来增强工艺控制和几何复杂性。该工艺包括使用电弧增材制造 (WAAM) 和混合增减法制造预成型模具（或“罐”），然后用金属粉末填充。

密封的模具在热等静压机 (HIP) 中经历加热和加压循环。与传统方法不同，这种固态粘合工艺将金属粉末固化成致密、复杂的几何形状，而不会熔化，从而实现更严格的公差并降低孔隙率。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，这对于具有严格性能要求的行业中的应用至关重要。

使用计算建模解决收缩和一致性问题

PM-HIP 的主要技术障碍之一是控制金属粉末的体积收缩，在固化过程中，收缩率可能高达 30%。这种收缩通常随组件几何形状的复杂性而变化，这对保持尺寸精度构成挑战。专门研究计算固体力学的高级研究科学家 Jason Mayeur 开发了预测模型来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，确保最终部件符合精确的规格。

Mayeur 指出：“PM-HIP 提供了一种可控的方法来生产大型金属部件，而这些部件通过传统方法越来越难以获得。”他的建模工作有助于通过预测变形特性和优化不同合金的热压循环来改进工艺。

作为 Mayeur 计算研究的补充，冶金学家 Soumya Nag 对 PM-HIP 工艺进行了实验研究，专注于制造基于 AM 的胶囊并评估最终部件的质量。Nag 的工作包括测试金属粉末的机械性能，确保材料在 HIP 工艺的苛刻条件下可靠地运行。他在表征微观结构和评估高温合金方面的专业知识支持开发强大的 PM-HIP 程序。

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，我们可以生产出适合能源和国防应用的大型定制部件。”计算预测与经验测试之间的协作使 ORNL 能够突破 PM-HIP 的极限，确保其满足关键基础设施所需的严格标准。

战略行业应用和脱碳目标

PM-HIP 能够在国内生产高完整性金属部件，这可以帮助美国减少对外国供应商的依赖，这是增强供应链弹性的关键一步。对于核能、水电和航空航天领域，PM-HIP 提供了一种制造大型复杂部件（如压力容器和叶轮）的方法，并增强了材料性能，例如提高韧性和抗热疲劳性。

此外，ORNL 的进步与美国能源部对脱碳的关注一致。PM-HIP 工艺使高性能材料能够在能源生产和分配基础设施中使用，支持向更高效、更低排放的系统过渡。本地生产此类组件的潜力还可以减少与海外运输和扩展供应链相关的碳足迹。

为了解决剩余的技术挑战并加速行业采用，ORNL 将于 2024 年 10 月 9 日至 10 日在其制造示范设施 (MDF) 举办一次 PM-HIP 研讨会。该活动得到了金属粉末工业联合会和电力研究所的支持，旨在将制造商、研究人员和政策制定者聚集在一起。研讨会将重点关注合作努力，以改进 PM-HIP 工艺并扩大其在各个行业的适用性。

此次活动是 ORNL 的一项更广泛计划的一部分，该计划得到了美国能源部先进材料和制造技术办公室 ( AMMTO ) 的支持，旨在推广先进制造解决方案。通过建立更紧密的产学研联系并确定有针对性的研究需求，研讨会旨在推动该技术更接近商业化。