Nuove intuizioni sui materiali stampati in 3D per i futuri reattori a fusione

La fabbricazione additiva è considerata una tecnologia promettente per i componenti dei futuri reattori a fusione. La stampa 3D dei metalli può essere utilizzata per produrre strutture complesse, ad esempio per i reattori breeder o i deviatori, componenti chiave di una centrale a fusione. I materiali devono resistere a condizioni estreme: alte temperature, forti carichi meccanici e radiazioni intense. La microstruttura dei materiali utilizzati, che viene creata durante il processo di stampa, è fondamentale per questo.

Focus sulle interfacce tra tungsteno e acciaio

Nei componenti stampati in 3D, il tungsteno è uno dei metalli particolarmente adatti per le parti esposte al plasma caldo dei reattori a fusione nucleare. Gli acciai sono utilizzati come materiali strutturali.

I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e del sincrotrone elettronico tedesco DESY hanno analizzato campioni di tungsteno in combinazione con uno speciale acciaio inossidabile la cui microstruttura è costituita principalmente dalle fasi ferrite e martensite. I campioni sono stati prodotti utilizzando un processo di stampa 3D metallica noto come processo a letto di polvere laser. In questo processo, la polvere di metallo viene fusa a strati da un laser e poi si solidifica rapidamente, creando gradualmente una struttura 3D.

Durante il processo di stampa possono formarsi microstrutture complesse all'interfaccia tra i due materiali, che influenzano le proprietà dei componenti. Utilizzando metodi a raggi X ad alta risoluzione, i ricercatori hanno studiato la struttura cristallina e determinato la distribuzione degli elementi chimici all'interno di queste aree di confine con una risoluzione micrometrica.

Ciò ha rivelato che all'interfaccia si forma una fase intermetallica indesiderata di ferro e tungsteno. Tali fasi compromettono la stabilità meccanica e forse anche la resistenza alle radiazioni dei componenti. In ulteriori indagini, i ricercatori hanno scoperto che la formazione di questa fase indesiderata può essere ridotta in modo significativo regolando il processo di stampa.

Le strutture di ricerca su larga scala forniscono informazioni sulle microstrutture complesse

La comprensione dettagliata di ciò che accade all'interno di questi materiali richiede tecniche avanzate e complementari, disponibili solo presso grandi strutture di ricerca come il PSI e il DESY.

Gli esperimenti operativi presso la linea di fascio microXAS della sorgente svizzera di luce di sincrotrone SLS hanno permesso di studiare le microstrutture durante la loro formazione nel processo di stampa. Presso il DESY in Germania, gli esperimenti di diffrazione di raggi X hanno fornito informazioni ad alta risoluzione sulla struttura cristallina, mentre gli esperimenti di fluorescenza a raggi X hanno fornito informazioni sulla composizione chimica del materiale. Queste indagini sono state completate dall'imaging neutronico presso la sorgente svizzera di neutroni a spallazione SINQ, che ha fornito informazioni sulle sollecitazioni meccaniche all'interno dei componenti stampati.

"Solo combinando diversi metodi ad alta risoluzione possiamo tracciare il modo in cui le microstrutture si sviluppano durante il processo di produzione additiva", afferma Malgorzata Grazyna Makowska del PSI. "In questo modo è possibile analizzare contemporaneamente la composizione chimica e la struttura cristallina".

Uno studio precedente aveva mostrato fasi inaspettate dell'acciaio

In uno studio precedente, il team di ricerca aveva scoperto microstrutture inaspettate all'interno degli acciai prodotti in modo additivo. Le misure di sincrotrone hanno rivelato piccole quantità di una forma di acciaio ad alta temperatura chiamata austenite conservata. La distribuzione di questa inaspettata fase cristallina è direttamente correlata al percorso del laser utilizzato per la stampa 3D, mentre la sua quantità dipende principalmente dall'energia applicata dal laser.

Gli esperimenti hanno fornito indicazioni sulla presenza di questa austenite trattenuta, che non poteva essere rilevata con altri metodi a causa della sua bassa quantità e metastabilità.

"La microstruttura dei metalli prodotti in modo additivo è spesso più complessa del previsto", afferma Ken Vidar Falch, scienziato del DESY e coautore degli studi. "Combinando diversi metodi ad alta risoluzione, possiamo ora esaminare queste strutture in modo molto più dettagliato e capire come sono influenzate dalle condizioni di processo".

Nuove scoperte per i materiali dell'energia di fusione

I risultati forniscono importanti approfondimenti sulla formazione delle microstrutture e delle sollecitazioni nei materiali prodotti in modo additivo per i reattori a fusione. Queste conoscenze possono aiutare a ottimizzare in modo specifico la stampa 3D dei metalli e a migliorare l'affidabilità di questi componenti.

"In futuro, vorremmo anche studiare la formazione di fasi secondarie nell'area di interfaccia di altri multi-materiali stampati in 3D in tre dimensioni, il che richiederà una risoluzione spaziale più elevata", afferma Malgorzata Grazyna Makowska.