多金属3D打印助力攻克核聚变反应堆钨-铜界面难题

2026年1月17日，南极熊获悉，增材制造中心(CfAM)的一个团队将与英国原子能管理局(UKAEA)合作，领导名为“增材工程超材料界面设计 (DIADEM)”的项目，这是一项专注于开发能够承受聚变装置内部严苛条件的组件的研究工作。

△增材制造中心的一个团队。图片来自诺丁汉大学

DIADEM项目由EPSRC“创新制造”计划资助，并得到劳斯莱斯、MTC和Aerosint等合作伙伴的支持，旨在攻克一项根本性挑战：生产将耐高温的钨和导热性能优异的铜结合在一起的零件。这两种金属在高温和应力下的性能差异巨大，传统制造工艺难以将它们完美结合。

CfAM 主任 RichardHague 表示：“对于聚变领域而言，将两种不同的金属连接起来一直是一个关键问题，因为将两种金属混合在一起的能力对于增材制造领域的发展至关重要。DIADEM 将使任何需要高性能多金属部件的行业受益，例如航空航天、国防和医疗保健。通过掌握多金属增材制造技术，我们正在开启新一代工程材料的大门。”

适用于极端环境的多金属3D打印

为了克服这一障碍，研究团队将采用多金属激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术，可有效避免金属界面处出现裂纹、空隙和应力。这对于聚变反应堆中暴露于高热负荷、磁力和中子轰击的面向等离子体部件至关重要。

成功将直接支持英国计划于 2040 年建成的 STEP 原型工厂，以及商业聚变开发商，通过提供更坚固、更高效的系统组件来实现这一目标。

英国原子能管理局聚变技术研究项目组合经理艾伦·哈特表示：“聚变有望成为未来世界能源供应中安全、低碳、可持续的一部分，英国拥有成为全球聚变技术出口国的绝佳机遇。然而，实现聚变意味着要解决诸多复杂挑战。本项目利用增材制造技术来制造关键的聚变部件，是英国原子能管理局（UKAEA）持续推进聚变能源商业化进程的一部分。”

英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）战略执行主任凯达尔·潘迪亚博士补充说：“这项举措体现了EPSRC致力于支持拓展增材制造技术应用范围的研究。这项研究旨在将聚变能源变为现实，并有望为全国各地的人们带来清洁、可持续的能源。”

△英国原子能管理局（UKAEA）已开始使用两台增材制造设备：Freemelt公司的eMELT电子束粉末床熔融成型机和SLM280选择性激光熔化成型机。图片由英国原子能管理局提供。

推进用于聚变反应堆的多金属3D打印技术

英国正采取协调一致的方式，利用多材料增材制造技术开发下一代聚变反应堆组件。英国原子能管理局（UKAEA）新近启用的中央支持设施（CSF）汇集了两套互补的3D打印系统：Freemelt公司的eMELT电子束粉末床熔融（E-PBF）系统，可将钨熔合到铜铬锆（CuCrZr）等聚变级合金上；以及尼康公司的SLM 280激光系统，能够打印具有复杂几何形状的多材料组合部件。这些平台协同工作，生成有关材料性能的关键数据，验证钨-铜铬锆合金的构建，并为工业化生产能够承受未来聚变反应堆极端条件的组件铺平道路。

此外，英国原子能管理局 (UKAEA) 还委任Kingsbury和Additure 两家公司提供先进的增材制造技术和专业知识，以支持从实验室研究向工业规模生产的过渡。这项工作的核心是尼康 SLM Solutions 公司的 SLM280 2.0 激光粉末床熔融系统，能够实现钨和铜的层叠。Additure还提供培训和设计指导，帮助 UKAEA 的工程师优化难熔金属的加工工艺，并增强英国生产关键聚变部件的能力。

△多金属3d打印机实拍