橡树岭国家实验室（ORNL）与A.J. Tuck公司合作开发了一种混合制造工艺，该工艺结合了3D打印、电铸和热等静压技术，可生产用于制造先进核反应堆关键部件的无泄漏容器，从而在长期依赖美国境外锻造产能的供应链中减少了一个环节。这一合作关系通过合作研发协议及随后的许可协议正式确立，并于8月19日至20日在ORNL制造示范工厂（MDF）举办的"材料与制造创新日"活动中得到确认。
更快地制造容器，而不仅仅是部件
该技术针对一个特定的制造步骤：生产HIP罐，即粉末冶金热等静压（PM-HIP）过程中用于盛放金属粉末的密封容器，该工艺在高温高压下将粉末融合成完全致密的部件。传统上，制造这些罐体需要多个加工和组装步骤。ORNL和A.J. Tuck的方法将其压缩为一个简化的单一工作流程。该工艺首先3D打印一个聚合物芯轴，其形状与最终部件的几何形状相匹配。
混合制造工艺结合了3D打印、电铸和热等静压，为先进的核反应堆和其他能源和国防应用生产关键部件。图片来源：Morgan Manning，布雷特·霍普伍德/ORNL，美国能源部
然后将该芯轴浸入电解液中，通过电铸技术（由A.J. Tuck引入合作）在其周围沉积一层约2至3毫米厚的镍壳。随后用酸溶解聚合物芯轴，留下一个中空的金属壳体，该壳体被填充金属粉末、密封，并通过HIP处理形成致密的固体部件。由于芯轴是塑料而非金属打印的，该团队避免了在极端温度下直接打印金属所带来的热相关应变和变形，同时降低了材料成本，简化了设计更改，并减少了后处理工作量。设计还将端口直接集成到罐体中，省去了单独焊接工艺管道的步骤，研究人员指出，这是传统HIP罐体组装中的一个常见故障点。"该项目表明，电铸可以成功地为先进核能应用生产无泄漏的HIP罐，"ORNL研究副研究员Vanshika Singh表示。"这种方法可以更容易地在美国生产这些部件，减少先进核能系统的供应链挑战。"ORNL机械工程师Amiee Jackson表示，该方法的可扩展性源于其构建方式，而非部件尺寸："因为该工艺主要取决于金属层需要多厚，而不是部件有多大，我们可以高效地扩大生产规模，甚至可以在一个工艺中批量处理多个部件。"
现有成果及未来展望
在项目的第一阶段，该团队生产了五个无泄漏的圆柱形HIP罐，每个高6英寸，直径4英寸。使用其中一个罐体，ORNL制造了一个重15.7磅的实心镍部件。目前正在进行的第二阶段将把该工艺应用于更复杂的形状，如用于泵和涡轮机中输送流体的叶轮，或与核能系统相关的阀门。该实验室看到了超出HIP罐本身的更广泛应用：同样的打印与电铸组合可以生产大型、高精度的金属部件，如反应堆压力容器、阀门和涡轮机部件。随着对先进和小型模块化反应堆需求的增长，美国的锻造产能已成为这些领域的制约因素。
从左至右，ORNL的Gina Tourassi、A.J.Tuck公司总裁Dara Williams和ORNL的Robert Wagner在MDF材料和制造创新日的第二天签署了许可协议。图片来源：Shawn Poynter/ORNL，美国能源部
A.J. Tuck公司总裁Dara Williams将此次合作视为其公司核心专长进入新市场的切入点。"与ORNL合作使我们能够将深厚的电铸专业知识带入一个全新的领域，"Williams表示。"证明该工艺能够以如此高的精度生产无泄漏的HIP罐，确实为国内核能制造打开了大门——而我们才刚刚开始。"
除了Singh和Jackson，ORNL团队还包括Srikanth Allu、Rangasayee Kannan、Peeyush Nandwana、Amirkoushyar Ziabari、Parans Paranthaman和Brian Post，以及来自A.J. Tuck公司的Tracy Yoho、Brandon Yoho和Jared Williams。涵盖该工艺的发明披露和临时专利已经提交。该项目中ORNL部分的工作是在MDF进行的，得到了能源部先进材料与制造技术办公室的支持；ORNL由UT-Battelle为能源部科学办公室管理。
应对国内锻造产能缺口的方案
ORNL与A.J. Tuck的合作针对的是上游的一个物理瓶颈：美国国内用于大型、致密金属部件锻造和铸造产能的萎缩。通过打印芯轴而非最终部件，这两个组织规避了锻造和铸造所需的工装、交货周期和专用设施，为核能和国防项目提供了一条国内可控的路径来获取那些原本会在铸造厂积压的部件。压力是实实在在的。海军的核推进计划正是由于传统铸造和锻造无法再满足需求而建立的。而陆军唯一的在运营铸造厂（位于Rock Island）在过去18个月中，其工作量因国内铸造和锻造产能持续萎缩而翻了两番。
海军在其核动力舰队的其他领域也在寻求同样的解决方案。海军向电弧增材制造（WAAM）专业公司AML3D发出了一份意向书，计划到2030年采购多达100个增材制造系统和1600个部件，目标直指减少核动力造船中对铸件和锻件的依赖。打印芯轴是一小步。弥合锻造产能缺口才是目标。
来源：中国3D打印网编译文章！
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