新工艺简化反应堆部件制造

Oak Ridge美国国家实验室科学家与A.J. Tuck Company合作，开发了一种用于热等静压（HIP）技术的新型制造方法。这种混合方法结合3D打印和电铸技术，制造用于将粉末材料成形为金属部件的所谓HIP包套，旨在简化关键反应堆部件的生产。

据ORNL介绍，该技术旨在实现高精度、多材料部件制造，同时简化复杂反应堆部件的制造方式。

ORNL的发明披露文件称，该技术旨在减少传统大型金属部件制造所需的时间、材料浪费和生产成本。

技术：该方法以粉末冶金热等静压（PM-HIP）为基础。在这种制造方法中，金属粉末被密封在一个形状与最终部件所需形状相同的中空容器内。在高温和高压作用下，粉末颗粒熔合成完全致密的固体部件。

制造这种被称为HIP包套的容器可能十分复杂，尤其是对于可能需要多道制造和装配工序的复杂形状而言。

为应对这一挑战，团队开发了一种工艺：首先通过3D打印，将聚合物模型制成所需几何形状。随后将其放入电解液槽中，利用电铸技术在打印件表面形成一层致密、均匀、厚度为2至3毫米的镍壳，其形状与打印件完全一致。

随后用酸溶解聚合物，留下中空的HIP包套，再向其中填充金属粉末、密封，并采用HIP工艺进行处理，形成固体部件。

ORNL机械工程师Amiee Jackson表示：“电铸使我们能够快速、高精度地制造非常精细的形状，同时避免传统制造方法面临的许多挑战。由于该工艺主要取决于金属层所需的厚度，而非部件的尺寸，因此我们能够高效扩大生产规模，甚至可以在单次工艺过程中批量制造多个部件。”

这种结合3D打印和电铸的混合技术既具备先进制造的优势，又减少了直接打印金属通常会产生的材料应变和变形，而打印聚合物时不会出现这些问题。

项目：作为概念验证，团队从一种基本形状入手，证明了利用该技术制造5个无泄漏圆柱形HIP包套的能力。这些包套高6英寸、直径4英寸。

据新闻稿介绍，团队还开发了一种一体化端口设计，无须单独焊接工艺管。单独焊接工艺管是HIP工艺期间常见的故障源，因此这一设计使该方法更加稳健、更加精简。

ORNL助理研究员Vanshika Singh表示：“该项目表明，电铸能够成功制造用于先进核能应用的无泄漏HIP包套。这种方法可以使美国更容易生产这些部件，减少先进核能系统面临的供应链挑战。”

目前，团队正努力将该工艺应用于叶轮或阀门等更复杂的几何结构。

据ORNL新闻稿介绍，该技术非常适合需要大型高精度金属部件的一系列能源应用，包括反应堆压力容器、阀门和汽轮机系统。

该项目依据A.J. Tuck Company与ORNL签署的合作研发协议及后续许可协议开展。