В США разрабатывают гибридный процесс электроформовки и 3D-печати для производства ключевых компонентов передовых ядерных реакторов

24 августа по местному времени Национальная лаборатория Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) сообщила, что учёные лаборатории совместно с компанией AJ Tuck разрабатывают гибридный производственный процесс, сочетающий 3D-печать и электроформовку, для изготовления сложных герметичных сосудов горячего изостатического прессования, используемых в порошковой металлургии. Процесс ориентирован на производство ключевых металлических компонентов для передовых ядерных реакторов, а также других энергетических и оборонных применений, с целью сокращения производственного цикла и снижения зависимости от традиционных цепочек поставок крупных поковок и отливок.

Сосуд горячего изостатического прессования представляет собой герметичную ёмкость, используемую для прессования металлических порошков в высокопроизводительные металлические компоненты при высоких температурах и давлениях. Традиционные сосуды горячего изостатического прессования обычно требуют множества операций механической обработки, сварки и сборки, что создаёт сложности при изготовлении конструкций сложной формы. Новый процесс использует полимерное аддитивное производство для создания сердечника-формы, на который затем методом электроформовки осаждается металлическая оболочка, формируя металлическую ёмкость, точно воспроизводящую сложную геометрию.

Согласно описанию, процесс начинается с 3D-печати полимерного сердечника, определяющего форму конечного компонента; затем сердечник помещается в электролитную ванну, где под действием электрического тока на поверхности осаждается никель, формируя равномерную металлическую оболочку толщиной примерно от 2 до 3 мм; после этого сердечник удаляется с получением полой структуры, которая заполняется металлическим порошком и герметизируется, а затем подвергается горячему изостатическому прессованию для формирования цельного металлического компонента.

Младший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Ридж Ваншика Сингх (Vanshika Singh) отметила, что проект подтверждает способность электроформовки успешно производить герметичные сосуды горячего изостатического прессования для передовых ядерных применений, что способствует упрощению процессов производства соответствующих компонентов на территории США и снижению нагрузки на цепочки поставок для передовых ядерных энергосистем.

С ростом спроса на передовые малые модульные реакторы всё большее внимание уделяется производственным возможностям для сложных высокопроизводительных металлических компонентов. Согласно данным, ядерная энергетика обеспечивает около 20% электроснабжения США, однако внутренние мощности по крупной ковке ограничены, что создаёт сдерживающие факторы для производства таких крупных компонентов, как корпуса реакторов, клапаны и турбинные системы. Национальная лаборатория Ок-Ридж считает, что данный гибридный процесс может применяться для производства крупных высокоточных металлических компонентов, особенно в сфере передовых ядерных реакторов и энергетической инфраструктуры.

Инженер-механик Национальной лаборатории Ок-Ридж Эми Джексон (Amy Jackson) отметила, что электроформовка позволяет быстро и с высокой точностью изготавливать тонкие структуры, избегая ряда сложностей, присущих традиционным методам производства. Поскольку процесс в первую очередь зависит от толщины осаждаемого металлического слоя, а не от ограничений по размеру отдельных деталей, он обладает потенциалом для масштабирования производства и одновременного изготовления нескольких компонентов.

На первом этапе проекта команда изготовила методом электроформовки 5 герметичных цилиндрических сосудов горячего изостатического прессования, каждый высотой 6 дюймов и диаметром 4 дюйма. Исследователи также разработали интегрированную конструкцию порта, исключающую отдельную сварку технологической трубы — распространённую потенциальную точку отказа в процессе горячего изостатического прессования, что повышает стабильность процесса. Изображения проекта показывают, что команда использовала герметичный сосуд горячего изостатического прессования, изготовленный на первом этапе, для производства цельного никелевого компонента весом 15,7 фунта.

В настоящее время проект перешёл на второй этап, в рамках которого исследовательская группа планирует применить данный процесс для изготовления компонентов более сложной геометрии, включая рабочие колёса для насосов и турбинных систем, используемые для перемещения жидкостей, а также клапаны, связанные с ядерными энергосистемами. Соответствующие раскрытия изобретений и предварительные заявки на патенты уже поданы.