橡树岭国家实验室的科学家们开发了一种混合制造方法：首先3D打印出聚合物模型，然后在模型周围电铸镍壳，最后利用该镍壳作为无泄漏容器，进行粉末冶金热等静压成型。这项与康涅狄格州AJ Tuck公司合作完成的研究，旨在为先进核反应堆和其他能源及国防设备的关键部件提供制造方案，并力求省略目前制约美国供应链的锻造和铸造工序。
PM-HIP技术通过将金属粉末密封在容器中，并施加高温高压，熔合成致密、接近最终形状的零件。然而，容器本身一直是该技术的薄弱环节。传统的HIP容器需要多个制造和组装步骤，焊接的工艺管路也容易发生泄漏。橡树岭国家实验室（ORNL）已经证明，金属3D打印可以直接制造HIP容器。本项目则采用了一种温度更低的方案：先打印塑料，再生长金属。
一种混合制造工艺结合了3D打印、电铸和热等静压技术，用于生产关键部件。（图片来源：Morgan Manning、Brett Hopwood/橡树岭国家实验室，美国能源部）
该工艺流程首先使用聚合物打印技术制作一个与最终部件形状相同的芯模。然后将该芯模放入电解液槽中，通过电铸工艺沉积一层厚度约为2至3毫米的均匀镍壳。酸液溶解塑料，留下一个空心金属容器。容器内填充金属粉末，密封后进行热等静压（HIP）处理，使粉末固化成实心部件。
AJ Tuck 公司采用 3D 打印聚合物模具和镍浴进行电铸，生产出无泄漏的热等静压 (HIP) 罐。（图片来源：AJ Tuck 公司）
“这个项目表明，电铸技术可以成功生产用于先进核能应用的无泄漏热等静压罐，”橡树岭国家实验室（ORNL）研究助理科学家范希卡·辛格（Vanshika Singh）表示。“这种方法可以简化在美国生产这些部件的过程，从而减少先进核能系统供应链面临的挑战。”
使用聚合物3D打印技术制作成型件，可以避免使用高温金属打印机进行第一步加工，从而降低材料和设备成本，减少变形，并便于几何形状的迭代。电铸成型工艺的规模化方式也不同于大多数金属增材制造工艺。“由于该工艺主要取决于金属层的厚度，而非零件的尺寸，因此我们可以高效地扩大生产规模，甚至可以在单次工艺中批量生产多个组件，”橡树岭国家实验室（ORNL）机械工程师艾米·杰克逊（Amiee Jackson）说道。
核电约占美国电力供应的20%，对小型模块化和先进反应堆的需求正给本已捉襟见肘的国内锻造业带来压力。橡树岭国家实验室表示，这种混合型锻造罐适用于制造反应堆压力容器、阀门和涡轮机硬件等大型高精度部件。
在第一阶段，团队采用电铸工艺制造了五个无泄漏的圆柱形热等静压（HIP）罐，每个罐高6英寸，直径4英寸。他们还在罐体上集成了一个端口，这样就无需再单独焊接工艺管。这项工作最终生产出一个重15.7磅的实心镍部件。
橡树岭国家实验室研究员范希卡·辛格（Vanshika Singh）手持一块重15.7磅的实心镍部件，该部件采用无泄漏热等静压（HIP）工艺制造。（图片来源：阿隆达·海因斯/橡树岭国家实验室，美国能源部）
第二阶段目前正在进行中，其目标更具挑战性：制造叶轮或核能相关阀门。橡树岭国家实验室 (ORNL) 与 AJ Tuck 公司签署了合作研究协议，并获得了该工艺的许可。一项发明披露和一项临时专利申请已提交备案。该实验室的工作在制造示范设施 (MDF) 内完成，并得到了美国能源部先进材料与制造技术办公室的支持。
“与橡树岭国家实验室的合作使我们能够将深厚的电铸技术应用于一个全新的领域，”AJ Tuck公司总裁达拉·威廉姆斯表示。“证明该工艺能够以如此高的精度生产出无泄漏的热等静压罐，为国内核能制造打开了真正的大门——而我们才刚刚起步。”
来源：ornl.gov
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