Neue Einblicke in 3D-gedruckte Materialien für künftige Fusionsreaktoren

Additive Fertigung gilt als vielversprechende Technologie für Bauteile zukünftiger Fusionsreaktoren. Mit dem metallischen 3D-Druck lassen sich komplexe Strukturen herstellen, etwa für Brutblankete oder Divertoren – zentrale Komponenten eines Fusionskraftwerks. Die Materialien müssen extremen Bedingungen standhalten: hohen Temperaturen, starken mechanischen Belastungen und intensiver Strahlung. Entscheidend dafür ist die Mikrostruktur der eingesetzten Materialien, die während des Druckprozesses entsteht.  

Grenzflächen zwischen Wolfram und Stahl im Fokus 

Bei 3D-gedruckten Bauteilen ist Wolfram eines der Metalle, das sich besonders gut für Teile eignet, die dem heissen Plasma von Kernfusionsreaktoren ausgesetzt sind. Stähle dienen als Strukturwerkstoffe. 

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY untersuchten nun Proben aus Wolfram in Kombination mit einem speziellen Edelstahl, dessen Mikrostruktur hauptsächlich aus den Stahlphasen Ferrit und Martensit besteht. Die Proben wurden mithilfe eines metallischen 3D-Druckverfahrens hergestellt, dem sogenannten Laser-Pulverbettverfahren. Dabei wird Metallpulver schichtweise durch einen Laser aufgeschmolzen und erstarrt anschliessend rasch, wodurch nach und nach eine 3D-Struktur entsteht. 

An der Grenzfläche zwischen beiden Materialien können während des Druckprozesses komplexe Mikrostrukturen entstehen, die die Eigenschaften der Bauteile beeinflussen. Mithilfe hochauflösender Röntgenmethoden untersuchten die Forschenden die Kristallstruktur und bestimmten die Verteilung der chemischen Elemente innerhalb dieser Grenzbereiche mit mikrometergenauer Auflösung.  

Dabei zeigte sich, dass sich an der Grenzfläche eine unerwünschte intermetallische Phase aus Eisen und Wolfram bildet. Solche Phasen beeinträchtigen die mechanische Stabilität und möglicherweise auch die Strahlungsbeständigkeit der Bauteile. In weiteren Untersuchungen stellten die Forschenden fest, dass sich die Bildung dieser unerwünschten Phase durch Anpassungen des Druckprozesses deutlich reduzieren lässt. 

Grossforschungsanlagen liefern Einblick in komplexe Mikrostrukturen 

Um ein detailliertes Verständnis dafür zu erlangen, was im Inneren dieser Materialien vor sich geht, sind fortgeschrittene und sich ergänzende Techniken erforderlich, die nur an grossen Forschungseinrichtungen wie dem PSI und DESY zur Verfügung stehen. 

Operando-Experimente an der microXAS-Strahllinie der Schweizer Synchrotron Lichtquelle SLS ermöglichten es, die Mikrostrukturen während ihrer Entstehung im Druckprozess zu untersuchen. Am DESY in Deutschland lieferten zudem Röntgenbeugungsexperimente hochauflösende Informationen über die Kristallstruktur, während Röntgenfluoreszenz-Experimente Aufschluss über die chemische Zusammensetzung des Materials gaben. Ergänzt wurden diese Untersuchungen durch Bildgebung mit Neutronen an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ, die Einblicke in die mechanischen Spannungen im Inneren der gedruckten Bauteile ermöglichte.  

«Erst durch die Kombination mehrerer hochauflösender Methoden können wir verfolgen, wie sich Mikrostrukturen während des additiven Fertigungsprozesses entwickeln», sagt Malgorzata Grazyna Makowska vom PSI. «So lassen sich chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur gleichzeitig analysieren.» 

Frühere Studie zeigte unerwartete Stahlphasen 

In einer früheren Studie hatte das Forschungsteam unerwartete Mikrostrukturen im Inneren additiv gefertigter Stähle entdeckt. Synchrotronmessungen zeigten geringe Mengen einer Hochtemperaturform von Stahl, die Restaustenit genannt wird. Die Verteilung dieser unerwarteten kristallinen Phase steht in direktem Zusammenhang mit der Bahn des Lasers, der für den 3D-Druck eingesetzt wird, während ihre Menge vor allem von der Energie abhängt, die der Laser einbringt. 

Die Experimente lieferten Einblicke in das Vorhandensein dieses Restaustenits, der aufgrund seiner geringen Menge und seiner Metastabilität mit anderen Methoden nicht nachgewiesen werden konnte. 

«Die Mikrostruktur additiv gefertigter Metalle ist oft komplexer als erwartet», sagt Ken Vidar Falch, DESY-Wissenschaftler und Mitautor der Studien. «Durch die Kombination mehrerer hochauflösender Methoden können wir diese Strukturen heute deutlich genauer untersuchen und verstehen, wie sie durch die Prozessbedingungen beeinflusst werden.» 

Neue Erkenntnisse für Materialien der Fusionsenergie 

Die Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in die Entstehung von Mikrostrukturen und Spannungen in additiv gefertigten Materialien für Fusionsreaktoren. Dieses Wissen kann helfen, den 3D-Druck von Metallen gezielt zu optimieren und die Zuverlässigkeit solcher Bauteile zu verbessern. 

«In Zukunft möchten wir auch für andere 3D-gedruckte Multimaterialien die Bildung von Nebenphasen im Grenzflächenbereich dreidimensional untersuchen, wofür eine höhere räumliche Auflösung erforderlich sein wird», sagt Malgorzata Grazyna Makowska.