光聚变的新测试中3D打印钽部件可承受437gpa的压力

2025-07-17 10:17:13 三维打印钽组件,光聚变,3D打印钽部件

在首次光聚变的新测试中，3D打印钽部件可承受 437 gpa 的压力,英国核聚变公司 First Light Fusion 与爱尔兰医疗设备制造商 Croom Medical 合作，利用增材制造技术为其高压核聚变硬件生产钽组件。

英国核聚变公司 First Light Fusion 与爱尔兰医疗设备制造商 Croom Medical 合作，利用增材制造技术为其高压核聚变硬件生产钽组件。

在高达437 GPa的冲击压缩条件下，这些三维打印部件的性能与传统加工部件不相上下。这些研究结果发表在《应用物理学杂志》上，证实了添加式制造的钽符合 First Light 公司惯性聚变系统的极端性能要求，并有助于简化其压力放大器设备的生产。

当然，钽是一种高强度、高熔点的金属，常用于国防、航空航天和能源领域。然而，钽的延展性以及在成型过程中变得更坚硬、更耐磨的趋势使其难以加工，从而增加了传统制造工艺的时间和成本。

First Light Fusion 公司首席冲击科学家马丁-戈尔曼（Martin Gorman）说："3D 打印钽为我们批量生产放大器提供了一条可靠、经济高效的途径，开启了从材料研究到国防的广泛应用。然而，验证其是否适合极端高压环境需要进行严格的测试。

使用 Croom Medical 的 TALOS 快速成型制造平台制造的钽组件。图片来自 Croom Medical。

冲击测试证实了材料的性能

为了评估性能，研究人员在 First Light Fusion 的牛津工厂使用两级光气枪对 3D 打印和传统锻造的钽样品进行了对称冲击实验。弹丸速度高达 6.7 千米/秒，光子多普勒测速仪（PDV）用于跟踪粒子速度和冲击通过时间，这些数据对于确定材料的状态方程（EOS）至关重要。

Croom Medical 公司采用其 TALOS 激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺生产了添加式制造的样品，该工艺针对钽等难熔金属进行了优化。这些样品的密度达到了 99.94 ± 0.11%，并呈现出 LPBF 方法特有的柱状晶粒结构。相比之下，用于对比的锻造钽样品预计会显示出在退火过程中形成的等轴晶粒。

尽管存在这些微观结构上的差异，但在 124 到 437 GPa 的压力范围内，包括在超过钽已知冲击熔点的条件下，三维打印钽的冲击响应与锻造样品的冲击响应没有区别。

使用绝对休格尼奥方法和氟化锂（LiF）标准阻抗匹配法进行的多次测试结果均一致。最初由真空室效应引起的一个差异通过流体力学建模得到了解决。

有了这些成果，First Light Fusion 现在已经获得了采用快速成型技术制造压力放大器部件所需的验证。这些部件旨在放大传递到聚变目标的压力，是该公司惯性聚变方法的核心。过渡到三维打印有望实现更快、更可扩展的生产，同时还能减少材料浪费。

该公司已经开始利用其光气枪基础设施对完全 3D 打印的放大器单元进行综合测试。这些测试结果预计将在未来几个月内公布。

Croom Medical 公司的快速成型制造工程师正在操作 TALOS 平台所在的 Colibrium Additive M2 Series 5 系统。图片来自 Croom Medical。

叠加法支持融合倡议

快速成型制造正迅速成为融合发展的一项重要战略，旨在解决材料复杂性、生产速度和极端性能需求等问题。

最近，英国原子能管理局（UKAEA）与工程设备供应商Kingsbury和金属AM公司Additure合作，通过增材制造推进聚变能源研究。

这一举措的核心是在英国原子能机构的设施中安装尼康 SLM Solutions SLM 280 2.0 LPBF 系统，从而能够使用钨与铜分层等具有挑战性的材料生产聚变反应堆组件。该系统具有更快的制造速度和先进的安全功能。Additure 还将为 UKAEA 的团队提供技术培训，重点是机器设置、构建优化以及为高性能热弹性组件的增材制造量身定制的设计策略。

在其他方面，意大利能源研究机构 ENEA 与维尔纽斯大学的激光纳米光子学小组合作，演示了结构精细的叠加制造对数桩泡沫如何响应与惯性约束聚变（ICF）相关的高功率纳秒激光脉冲。

利用 ENEA 的 40 J ABC Nd:glass 激光器和全三维模拟，研究小组观察了这些微观晶格在受到 5 纳秒的聚焦脉冲照射时如何升温、腐蚀和散射光。测量到的侵蚀速度与模拟预测相吻合，证实了其模型的准确性。这项研究强调了精确的三维打印和先进的模拟工具如何共同支持未来聚变能源目标的设计。