美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员首次利用增材制造技术直接制造粉末冶金热等静压（PM-HIP）所需的包套，从而彻底消除了焊接、机加工和成形等长期制约大型关键金属部件生产的工艺环节。

通过PM-HIP制造的罐体（其中金属粉末被固结为涡轮部件和压力容器等全致密结构件）通常通过金属成形、机加工和焊接生产，但这种多步骤流程可能引入缺陷、提高成本并限制设计灵活性。ORNL团队用3D打印替代了这一流程，这意味着复杂的罐体几何形状可以针对最终零件几何形状进行定制。该方法还减少了材料浪费，并通过在加工前使零件更接近最终形状来缩短生产时间。

ORNL团队使用了多种增材制造方法，包括基于激光和基于线材的技术。据团队称，此前尚未探索过使用增材制造来制造HIP罐体。打印完成后，罐体被填充金属粉末、真空密封并放入热等静压机中，在热和压力作用下将粉末固结为内部缺陷极少的固体部件。PM-HIP的工作原理是将金属粉末装入密封容器中，抽真空密封，然后施加极高的温度和压力，使材料固结为完全致密、结构完整的部件。其薄弱环节始终在于包套的制造。通过直接采用激光和丝材增材方法打印包套，ORNL团队完全绕开了这些限制。

“这项工作为大型部件的PM-HIP领域带来了变革性转变的基础，”ORNL研究员Pavan Ajjarapu表示。“通过利用增材制造和热等静压的优势，我们为水力和下一代核反应堆中更大的设计自由度和更广泛的应用铺平了道路。”

除了几何形状之外，该工艺还赋予工程师对材料性能的直接控制权。通过在固结过程中控制内部结构，可以定制先进合金以具有耐腐蚀性、辐射稳定性和高温性能——这种定制水平是铸造或锻造无法企及的。预测部件在热和压力下的表现历来需要昂贵的试错过程。ORNL通过计算建模解决了这一问题。研究员Subrato Sarkar开发了定制模拟，以预测零件在加工过程中在热和压力下可能如何变形或改变形状。“更深入地了解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，”Sarkar表示。ORNL的Jason Mayeur描述了另一个计算层面：“我们通过使用基于力学的计算模型进一步增强了PM-HIP技术的有效性，通过消除试错方法降低了开发成本和交付周期。”

该方法还对国内制造能力具有意义。“这种方法为铸造和锻造提供了替代方案，”ORNL的Soumya Nag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。”长期以来，美国国内大型金属部件的生产依赖于铸造和锻造基础设施，这些设施产能受限且易受冲击。近二十年来，产能与能力方面的挑战严重冲击了美国铸造与锻造行业，阻碍了关键军事装备及保障平台所需关键部件的获取，而仅靠联邦投资并未能弥合这一差距。对于用于核反应堆、涡轮机和航空航天系统的大型复杂金属部件，美国国内并不存在能够按需规模化生产的基础设施。ATI在其新的大型增材制造工厂中获得的首个生产合同，是为美国海军核动力推进项目提供精密工程部件，而该工厂的建立正是由于传统铸造和锻造已无法满足需求。与此同时，美国陆军唯一在运营的罗克岛铸造厂在过去18个月中工作量增加了四倍，而国内铸造和锻造能力的短缺日益加深，增材制造被寄望于在国防和能源项目中缓解这一压力。ORNL的PM-HIP突破直接回应了这两方面的压力。通过3D打印驱动高压金属固结的包套，为美国铸造和锻造供应链提供了一条目前所缺乏的路径：一条更快、国内可控的、通向大型致密金属部件的路径。

这项研究基于ORNL制造示范设施（MDF）2024年的一项项目，在该项目中，研究人员在短短两天内从初始设计到成品零件生产了一个2000磅的水力发电叶轮罐体原型。这一里程碑吸引了200名行业利益相关者前往制造示范设施，共同规划该技术的下一步发展。最初只是一个概念验证，如今已成为一项经过验证且可扩展的能力，可直接应用于能源和国防领域。这项成果是在美国能源部制造示范设施内研发的，并得到了核能办公室先进材料与制造技术项目的支持。

特色图片显示：在橡树岭国家实验室制造示范设施，一个团队使用410NiMo不锈钢合金3D打印了一个2000磅的PM-HIP包套。照片来源：ORNL。