麻省理工学院的学生探索用于聚变反应堆的 3D打印金属陶瓷复合材料

随着越来越多的初创公司获得资金并在商业聚变能源生产方面取得突破，麻省理工学院博士生亚历山大·奥布莱恩正在致力于通过金属陶瓷复合材料增材制造的研究来提供下一代聚变设备。

目前，奥布莱恩在麻省理工学院核科学与工程系（NSE）进行的研究利用增材制造技术，在构建过程中准确定位金属漩涡中的陶瓷纳米颗粒，而这是传统的成型制造工艺无法做到的。陶瓷基复合材料被认为是包括航空和航天在内的多个先进制造业未来发展的关键材料，据报道，赛峰集团和通用电气航空公司都在喷气发动机部件上大力投资采用陶瓷基复合材料。AM 是使用这些超先进材料的关键推动因素。蓬勃发展的核聚变能源领域也是一个天然的契合点。下一代裂变也是如此。

“随着新聚变装置的设计开始启动，越来越明显的是，我们一直使用的材料无法承受操作环境中的更高温度和辐射水平，”奥布莱恩解释道。增材制造“为金属的应用开辟了一个全新的可能性领域，这正是您[建造下一代聚变发电厂]所需要的，”他说。

金属和陶瓷本身可能无法承受高温(目标是 750 摄氏度)、应力和辐射，但它们组合在一起可能会达到这些目的。奥布莱恩说，尽管这种金属基复合材料已经存在了几十年，但它们在反应堆中使用并不切实际，因为它们“很难以任何均匀性制造，而且尺寸确实有限”。

这是因为当你尝试将陶瓷纳米粒子放入熔融金属池中时，它们会向任意方向掉落。“3D 打印很快就完全改变了这个情况，如果你想在非常特定的区域添加这些纳米粒子，你就有能力做到这一点，”奥布莱恩解释道。

奥布莱恩的工作涉及用陶瓷纳米粒子植入金属，这是他的博士论文和《增材制造》杂志上的一篇研究论文的基础。最终结果是金属基复合材料是聚变装置的理想候选者，特别是真空容器组件，它必须能够承受高温、腐蚀性极强的熔盐和核嬗变产生的内部氦气。

奥布莱恩的工作重点是 Inconel 718 等镍高温合金，它们是特别坚固的候选材料，因为它们可以承受更高的工作温度，同时保持强度。氦脆是 Inconel 718 的一个问题，即由聚变中子引起的氦气泡导致脆弱和失效，但复合材料表现出克服这一挑战的潜力。

为了制造复合材料，首先，通过机械铣削工艺将陶瓷涂覆到金属颗粒上。陶瓷纳米粒子充当增强剂，尤其是在高温下，并使材料的使用寿命更长。均匀分散时，纳米颗粒还会吸收氦气和辐射缺陷，从而防止这些损伤剂全部到达晶界。

然后，该复合材料在市场领导者 EOS 的系统上进行激光粉末床熔融 (L-PBF) 工艺。“通过用陶瓷涂覆这些颗粒，然后仅熔化非常特定的区域，我们可以将陶瓷保留在我们想要的区域，然后就可以构建并具有均匀的结构，”奥布莱恩说。

核材料的 3D 打印展现出了如此大的前景，以至于奥布莱恩在博士研究结束后正在考虑追求这一前景。“这些金属基复合材料的概念以及它们如何增强材料性能非常有趣，”他说。他正在考虑通过一家初创公司扩大其商业规模。