多金屬3D打印助力攻克核聚變反應堆鎢-銅界面難題

2026年1月17日，南極熊獲悉，增材制造中心(CfAM)的一個團隊將與英國原子能管理局(UKAEA)合作，領導名為“增材工程超材料界面設計 (DIADEM)”的項目，這是一項專注于開發能夠承受聚變裝置內部嚴苛條件的組件的研究工作。

△增材制造中心的一個團隊。圖片來自諾丁漢大學

DIADEM項目由EPSRC“創新制造”計劃資助，并得到勞斯萊斯、MTC和Aerosint等合作伙伴的支持，旨在攻克一項根本性挑戰：生產將耐高溫的鎢和導熱性能優異的銅結合在一起的零件。這兩種金屬在高溫和應力下的性能差異巨大，傳統制造工藝難以將它們完美結合。

CfAM 主任 RichardHague 表示：“對于聚變領域而言，將兩種不同的金屬連接起來一直是一個關鍵問題，因為將兩種金屬混合在一起的能力對于增材制造領域的發展至關重要。DIADEM 將使任何需要高性能多金屬部件的行業受益，例如航空航天、國防和醫療保健。通過掌握多金屬增材制造技術，我們正在開啟新一代工程材料的大門。”

適用于極端環境的多金屬3D打印

為了克服這一障礙，研究團隊將采用多金屬激光粉末床熔融（MM-LPBF）技術，可有效避免金屬界面處出現裂紋、空隙和應力。這對于聚變反應堆中暴露于高熱負荷、磁力和中子轟擊的面向等離子體部件至關重要。

成功將直接支持英國計劃于 2040 年建成的 STEP 原型工廠，以及商業聚變開發商，通過提供更堅固、更高效的系統組件來實現這一目標。

英國原子能管理局聚變技術研究項目組合經理艾倫·哈特表示：“聚變有望成為未來世界能源供應中安全、低碳、可持續的一部分，英國擁有成為全球聚變技術出口國的絕佳機遇。然而，實現聚變意味著要解決諸多復雜挑戰。本項目利用增材制造技術來制造關鍵的聚變部件，是英國原子能管理局（UKAEA）持續推進聚變能源商業化進程的一部分。”

英國工程與物理科學研究委員會（EPSRC）戰略執行主任凱達爾·潘迪亞博士補充說：“這項舉措體現了EPSRC致力于支持拓展增材制造技術應用范圍的研究。這項研究旨在將聚變能源變為現實，并有望為全國各地的人們帶來清潔、可持續的能源。”

△英國原子能管理局（UKAEA）已開始使用兩臺增材制造設備：Freemelt公司的eMELT電子束粉末床熔融成型機和SLM280選擇性激光熔化成型機。圖片由英國原子能管理局提供。

推進用于聚變反應堆的多金屬3D打印技術

英國正采取協調一致的方式，利用多材料增材制造技術開發下一代聚變反應堆組件。英國原子能管理局（UKAEA）新近啟用的中央支持設施（CSF）匯集了兩套互補的3D打印系統：Freemelt公司的eMELT電子束粉末床熔融（E-PBF）系統，可將鎢熔合到銅鉻鋯（CuCrZr）等聚變級合金上；以及尼康公司的SLM 280激光系統，能夠打印具有復雜幾何形狀的多材料組合部件。這些平臺協同工作，生成有關材料性能的關鍵數據，驗證鎢-銅鉻鋯合金的構建，并為工業化生產能夠承受未來聚變反應堆極端條件的組件鋪平道路。

此外，英國原子能管理局 (UKAEA) 還委任Kingsbury和Additure 兩家公司提供先進的增材制造技術和專業知識，以支持從實驗室研究向工業規模生產的過渡。這項工作的核心是尼康 SLM Solutions 公司的 SLM280 2.0 激光粉末床熔融系統，能夠實現鎢和銅的層疊。Additure還提供培訓和設計指導，幫助 UKAEA 的工程師優化難熔金屬的加工工藝，并增強英國生產關鍵聚變部件的能力。

△多金屬3d打印機實拍