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隨著清潔能源、航空航天和國防等領域對大型金屬部件需求的不斷增長，以及對于材料性能要求的日益提升，美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 正引領一場制造技術的革新。通過巧妙地結合粉末冶金熱等靜壓 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技術，尤其是融入了碳纖維3D打印的先進理念，ORNL 提供了一種高精度且靈活的替代方案，以應對傳統鑄造和鍛造方法的局限性。

由于傳統的鑄造和鍛造能力大多已轉移至海外，美國的供應鏈在供應重量超過1萬磅的復雜、高性能部件時面臨嚴峻挑戰。ORNL 的研究人員深入探索了 PM-HIP 技術，并創新性地將3D打印技術（包括碳纖維增強材料的打印）融入其中，以增強工藝控制和實現前所未有的復雜幾何結構設計。這一融合過程不僅利用了電弧增材制造（WAAM）和混合增材-減材方法來制造預成型模具（即“罐體”），還巧妙地填充了金屬粉末與碳纖維復合材料。隨后，在熱等靜壓機（HIP）中，這些密封的模具經歷了精密的加熱和加壓循環。

與傳統的金屬成形方法不同，PM-HIP 的固態結合工藝無需熔化即可將金屬粉末與碳纖維材料固結成致密、復雜的幾何形狀，從而實現了更嚴格的公差控制和孔隙率的顯著降低。這一方法不僅極大地提升了設計的靈活性，還為多材料（特別是金屬與碳纖維復合材料）的構建開辟了新途徑，這對于高性能要求嚴格的行業應用而言至關重要。

為了克服金屬粉末在固結過程中高達30%的體積收縮這一技術難題，ORNL 的研究團隊開發了先進的預測模型。計算固體力學領域的高級研究科學家 Jason Mayeur 領導的團隊，通過模擬不同幾何形狀下的收縮行為，為初始模具設計提供了精確的迭代調整指導，確保了最終部件的精確規格。

與此同時，冶金學家 Soumya Nag 在 PM-HIP 工藝的實驗研究方面也取得了顯著進展。他專注于基于增材制造的膠囊制作和最終部件質量評估，特別是在碳纖維復合材料與金屬粉末的結合方面進行了深入研究。Nag 的工作不僅測試了金屬粉末的機械性能，還確保了材料在 HIP 工藝的苛刻條件下能夠可靠運行。

“通過將增材制造（包括碳纖維3D打印）的設計靈活性與 PM-HIP 的可靠性相結合，我們可以生產針對能源和國防應用的大型、高性能定制部件。” Nag 說道。計算預測與實證測試的合作，使得 ORNL 能夠不斷突破 PM-HIP 技術的可能性界限，確保其滿足關鍵基礎設施所需的嚴格標準。

在國內生產高完整性金屬部件的能力，特別是結合碳纖維3D打印技術的 PM-HIP 部件，有助于美國減少對外國供應商的依賴，增強供應鏈彈性。在核能、水力發電和航空航天等領域，PM-HIP 提供了一種制造大型復雜部件（如壓力容器、葉輪等）的新方法，并帶來了改進的材料性能，如更高的韌性、抗熱疲勞性以及碳纖維帶來的輕量化優勢。

此外，ORNL 的這一進展與美國能源部的脫碳重點高度契合。PM-HIP 工藝不僅使高性能材料在能源生產和輸配基礎設施中的應用成為可能，還支持了向更高效、排放更低的系統轉變。在本地生產此類高性能部件還有助于減少與海外運輸和冗長供應鏈相關的碳足跡。