随着清洁能源、航空航天和国防等领域对大型金属部件需求的不断增长，以及对于材料性能要求的日益提升，美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 正引领一场制造技术的革新。通过巧妙地结合粉末冶金热等静压 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技术，尤其是融入了碳纤维3D打印的先进理念，ORNL 提供了一种高精度且灵活的替代方案，以应对传统铸造和锻造方法的局限性。

由于传统的铸造和锻造能力大多已转移至海外，美国的供应链在供应重量超过1万磅的复杂、高性能部件时面临严峻挑战。ORNL 的研究人员深入探索了 PM-HIP 技术，并创新性地将3D打印技术（包括碳纤维增强材料的打印）融入其中，以增强工艺控制和实现前所未有的复杂几何结构设计。这一融合过程不仅利用了电弧增材制造（WAAM）和混合增材-减材方法来制造预成型模具（即“罐体”），还巧妙地填充了金属粉末与碳纤维复合材料。随后，在热等静压机（HIP）中，这些密封的模具经历了精密的加热和加压循环。

与传统的金属成形方法不同，PM-HIP 的固态结合工艺无需熔化即可将金属粉末与碳纤维材料固结成致密、复杂的几何形状，从而实现了更严格的公差控制和孔隙率的显著降低。这一方法不仅极大地提升了设计的灵活性，还为多材料（特别是金属与碳纤维复合材料）的构建开辟了新途径，这对于高性能要求严格的行业应用而言至关重要。

为了克服金属粉末在固结过程中高达30%的体积收缩这一技术难题，ORNL 的研究团队开发了先进的预测模型。计算固体力学领域的高级研究科学家 Jason Mayeur 领导的团队，通过模拟不同几何形状下的收缩行为，为初始模具设计提供了精确的迭代调整指导，确保了最终部件的精确规格。

与此同时，冶金学家 Soumya Nag 在 PM-HIP 工艺的实验研究方面也取得了显著进展。他专注于基于增材制造的胶囊制作和最终部件质量评估，特别是在碳纤维复合材料与金属粉末的结合方面进行了深入研究。Nag 的工作不仅测试了金属粉末的机械性能，还确保了材料在 HIP 工艺的苛刻条件下能够可靠运行。

“通过将增材制造（包括碳纤维3D打印）的设计灵活性与 PM-HIP 的可靠性相结合，我们可以生产针对能源和国防应用的大型、高性能定制部件。” Nag 说道。计算预测与实证测试的合作，使得 ORNL 能够不断突破 PM-HIP 技术的可能性界限，确保其满足关键基础设施所需的严格标准。

在国内生产高完整性金属部件的能力，特别是结合碳纤维3D打印技术的 PM-HIP 部件，有助于美国减少对外国供应商的依赖，增强供应链弹性。在核能、水力发电和航空航天等领域，PM-HIP 提供了一种制造大型复杂部件（如压力容器、叶轮等）的新方法，并带来了改进的材料性能，如更高的韧性、抗热疲劳性以及碳纤维带来的轻量化优势。

此外，ORNL 的这一进展与美国能源部的脱碳重点高度契合。PM-HIP 工艺不仅使高性能材料在能源生产和输配基础设施中的应用成为可能，还支持了向更高效、排放更低的系统转变。在本地生产此类高性能部件还有助于减少与海外运输和冗长供应链相关的碳足迹。