橡树岭国家实验室的科学家们找到了一种利用3D打印技术制造粉末冶金热等静压所需容器的方法。粉末冶金热等静压是一种将金属粉末压缩成致密结构部件的工艺，这些部件广泛应用于核反应堆、水力发电系统和航空航天领域。该方法省去了传统制造这些容器所需的多个成型、机械加工和焊接步骤，从而降低了成本并缩短了生产时间。
橡树岭国家实验室（ORNL）使用410NiMo不锈钢合金3D打印了一个重达2000磅的PM-HIP容器。（图片来源：Carlos Jones/ORNL，美国能源部）
PM-HIP 的工作原理是将金属粉末填充到密封容器中，然后施加高温高压将材料压缩成完全致密的部件。问题一直出在容器本身。采用传统方法制造这些容器会引入缺陷，并限制最终部件的复杂程度。据橡树岭国家实验室 (ORNL) 称，该实验室团队利用增材制造技术直接打印这些容器的方法此前尚未被探索过。
“这项工作为大型部件的粉末冶金-热等静压成型技术带来变革性转变奠定了基础，”橡树岭国家实验室研究员帕万·阿贾拉普表示。“通过结合增材制造和热等静压的优势，我们正在为更大的设计自由度和更广泛的应用铺平道路，尤其是在水力发电和下一代核反应堆领域。”
采用粉末冶金热等静压（PM-HIP）工艺，将金属粉末填充到容器中，真空密封后，在高热高压下形成致密的金属部件。（图片来源：Fred List III/ORNL，美国能源部）
该团队采用多种方法打印罐体，包括激光3D打印和线材3D打印，并使用了410NiMo等不锈钢合金材料。在2024年的一次演示中，研究人员仅用两天时间就打印出了一个重达2000磅的水力发电叶轮罐体原型，从最初的设计到最终成品。这些部件可以进行工程改造，以增强其耐腐蚀性和辐射稳定性，这些特性对于核应用至关重要。
供应链韧性是另一个驱动因素。“这种方法为铸造和锻造提供了一种替代方案，”橡树岭国家实验室的苏米娅·纳格说。“它还可以通过缓解供应链短缺来帮助加强美国制造业和国家安全。”
粉末冶金热等静压（PM-HIP）工艺面临的一个长期挑战是预测大型零件在高温高压下会发生怎样的收缩或变形。橡树岭国家实验室（ORNL）的研究员苏布拉托·萨卡尔（Subrato Sarkar）正在开发定制模型来模拟这些效应。萨卡尔表示：“深入了解PM-HIP工艺的工作原理有助于消除与这些预测相关的不确定性。”他的同事杰森·梅耶尔（Jason Mayeur）为这项研究增添了一个基于力学的计算模型：“我们利用基于力学的计算模型进一步提高了PM-HIP技术的有效性，通过消除试错法来降低开发成本和缩短交付周期。”
该项目由美国能源部核能办公室先进材料与制造技术项目资助。去年，橡树岭国家实验室在其制造示范设施召集了200名利益相关者，旨在找出将该技术扩展到大型复杂金属部件时存在的差距和机遇。
来源：ornl.gov
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