麻省理工正在研究3D打印金屬陶瓷復合材料用于聚變反應堆

2023年10月15日，南極熊獲悉，麻省理工學院博士生Alexander O’Brien正在致力于通過金屬陶瓷復合材料和3D打印技術來研究下一代聚變設備。

△麻省理工的研究人員Alexander O’Brien

O’Brien的研究在麻省理工學院核科學與工程系（NSE）進行，通過3D打印技術精準定位陶瓷納米顆粒在熔池中，這是傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的。陶瓷基復合材料被認為是未來航空、航天等先進制造業(yè)的關鍵材料，賽峰（Safran）集團和通用電氣航空集團都在噴氣發(fā)動機零件上大力投資陶瓷基復合材料。

△3D打印陶瓷基復合材料示意

3D打印金屬陶瓷復合材料有什么用？

在蓬勃發(fā)展的聚變能源領域，O’Brien指出，隨著新型聚變裝置設計的啟動，現(xiàn)有材料難以承受操作環(huán)境中更高溫度和輻射水平。增材制造為金屬應用開辟了全新可能性，正是構建下一代聚變發(fā)電廠所需的關鍵技術。

金屬和陶瓷本身可能無法承受高溫（目標是750攝氏度）、應力和輻射，但將它們組合在一起可能會達到這些目標。O’Brien指出，盡管金屬基復合材料已經存在了幾十年，但在反應堆中使用它們并不切實際，因為它們很難以任何均勻性制造，而且尺寸確實有限。

這是因為當你嘗試將陶瓷納米粒子放入熔融金屬池中時，它們會向任意方向掉落。O’Brien解釋說：“3D打印很快就可以解決這個情況，如果你想在非常特定的區(qū)域添加這些納米粒子，你就有能力做到這一點。”

△這是他的博士論文和已發(fā)表在《增材制造》雜志上的一篇研究論文基礎“通過原位形成納米碳化物和硅化物來強化增材制造的Inconel 718”（傳送門）

通過3D打印研究進行證明

O’Brien的工作專注于將陶瓷納米粒子嵌入金屬中，以創(chuàng)造金屬基復合材料，這使其成為3D打印行業(yè)中聚變裝置的理想選擇之一，特別是對于真空容器組件來說。它們必須能夠承受高溫、腐蝕性極強的熔鹽和核嬗變產生的內部氦氣。

O’Brien的工作重點是鎳高溫合金，如Inconel 718。這些合金具有特別強大的特性，能夠承受更高的工作溫度并保持強度。然而，氦脆性（由聚變中子引起的氦氣泡導致的脆弱和失效）是Inconel 718面臨的一個問題，但復合材料顯示出克服這一挑戰(zhàn)的潛力。

為了制造復合材料，首先使用機械研磨工藝將陶瓷涂覆到金屬顆粒上。陶瓷納米粒子充當增強劑，特別是在高溫下，可以延長材料的使用壽命。當納米顆粒均勻分散時，它們還可以吸收氦氣和輻射缺陷，從而防止這些損傷劑到達晶界。

△使用EOS的激光粉末床熔融（L-PBF）工藝進行打印

然后，該復合材料通過EOS公司的激光粉末床熔融（L-PBF）工藝進行制造。O’Brien解釋說：“通過將陶瓷涂覆到這些顆粒上，然后只熔化非常特定的區(qū)域，我們可以將陶瓷保留在我們想要的區(qū)域，并構建具有均勻結構的材料。”

核材料的3D打印展示了巨大的前景，以至于O’Brien在博士研究結束后正在考慮追求這一領域的發(fā)展。他表示：“這些金屬基復合材料的概念以及它們如何增強材料性能非常有趣。”他正在考慮通過一家初創(chuàng)公司擴大商業(yè)規(guī)模。