De nouvelles perspectives sur les matériaux imprimés en 3D destinés aux futurs réacteurs à fusion

La fabrication additive est considérée comme une technologie prometteuse pour les composants des futurs réacteurs à fusion. L’impression 3D métallique permet de fabriquer des structures complexes, destinées par exemple à des couvertures tritigènes ou à des diverteurs, qui sont autant de composants clé d’une centrale à fusion nucléaire. Les matériaux doivent supporter des conditions extrêmes: températures élevées, fortes contraintes mécaniques et rayonnement intense. A cet égard, la microstructure qui se développe dans les matériaux utilisés pendant le processus d’impression joue un rôle crucial. 

Zoom sur les interfaces entre le tungstène et l’acier

Dans le domaine des composants imprimés en 3D, le tungstène est l’un des métaux qui convient le mieux pour les pièces exposées au plasma brûlant des réacteurs à fusion nucléaire. Les aciers, quant à eux, servent de matériaux de structure.

Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI et du DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron ou synchrotron à électrons allemand) viennent d’analyser des échantillons de tungstène en combinaison avec un acier inoxydable spécial. Sa microstructure est principalement composée de ferrite et de martensite, qui sont des phases de l’acier. Les échantillons ont été fabriqués à l’aide d’un procédé d’impression 3D métallique appelé procédé de fusion laser sur lit de poudre. Il consiste à faire fondre la poudre de métal couche après couche, puis de la laisser se solidifier rapidement, ce qui permet de créer progressivement une structure en 3D.

Pendant le processus d’impression, des microstructures complexes peuvent apparaître aux interfaces entre les deux matériaux et influencer les propriétés des composants. A l’aide de techniques de rayons X à haute résolution, les scientifiques ont examiné la structure cristalline et déterminé la répartition des éléments chimiques au niveau de ces interfaces avec une précision de l’ordre du micromètre. 

Or il s’est avéré qu’une phase intermétallique indésirable de fer et de tungstène se formait à l’interface. De telles phases compromettent la stabilité mécanique et probablement aussi la résistance aux rayonnements des composants. Dans le cadre d’autres analyses, les scientifiques ont constaté que la formation de cette phase indésirable pouvait être considérablement réduite en remaniant le processus d’impression

Les grandes installations fournissent un aperçu des microstructures complexes 

Pour comprendre en détail ce qui se passe à l’intérieur de ces matériaux, il faut recourir à des techniques avancées et complémentaires qui sont disponibles uniquement dans certains grands centres de recherche comme le PSI et le DESY.

Les expériences Operando à la ligne de faisceau microXAS de la Source de Lumière Suisse SLS ont permis d’étudier ces microstructures pendant leur apparition lors du processus d’impression. Au DESY, en Allemagne, des expériences de diffraction des rayons X ont également fourni des informations à haute résolution sur la structure cristalline, tandis que des expériences de spectrométrie de fluorescence X ont permis de mieux comprendre la composition chimique du matériau. Ces analyses ont été complétées par une imagerie neutronique réalisée à la source suisse de neutrons à spallation SINQ, qui a permis d’obtenir des aperçus des contraintes mécaniques à l’intérieur des composants imprimés. 

«C’est seulement en combinant plusieurs méthodes à haute résolution que nous pouvons suivre le développement des microstructures pendant le processus de fabrication additive, explique Malgorzata Grazyna Makowska, chercheuse au Centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires du PSI. Cela permet d’analyser en même temps la composition chimique et la structure cristalline.» 

Une étude antérieure avait mis en évidence des phases de l’acier inattendues 

Dans le cadre d’une étude antérieure, le groupe de recherche avait découvert des microstructures inattendues à l’intérieur d’aciers issus de la fabrication additive. Des mesures au synchrotron avaient révélé la présence de faibles quantités d’une forme d’acier à haute température appelée austénite résiduelle. La répartition de cette phase cristalline inattendue est directement liée à la trajectoire du laser utilisé pour l’impression 3D, alors que sa quantité dépend principalement de l’énergie fournie par ce même laser.

Les expériences ont permis d’apercevoir la présence de cette austénite résiduelle qui n’avait pas pu être démontrée par d’autres méthodes, en raison de sa faible quantité et de sa métastabilité.

«La microstructure de matériaux issus de la fabrication additive est souvent plus complexe que prévu, relève Ken Vidar Falch, scientifique au DESY et co-auteur des études. En combinant plusieurs méthodes à haute résolution, nous sommes aujourd’hui en mesure d’étudier ces structures de manière nettement plus précise et de comprendre comment elles sont influencées par les conditions dans lesquelles se déroule le processus d’impression.» 

Nouveaux éléments de connaissance pour les matériaux destinés à l’énergie de fusion 

Ces résultats fournissent des aperçus importants de l’apparition de microstructures et de tensions dans les matériaux issus de la fabrication additive et destinés aux réacteurs à fusion. Ces connaissances peuvent contribuer à optimiser l’impression 3D métallique et à améliorer la fiabilité de ces composants.

«A l’avenir nous aimerions également étudier en trois dimensions la formation de phases secondaires au niveau des interfaces dans d’autres matériaux imprimés en 3D, explique Malgorzata Grazyna Makowska. Cela nécessitera une résolution spatiale plus élevée.»