Was im Inneren von 3D-gedrucktem Stahl für Fusionsreaktoren passiert

Ein internationales Forschungsteam aus Hamburg und Villigen hat in zwei aktuellen Studien untersucht, wie sich Mikrostrukturen in additiv gefertigten Materialien für zukünftige Fusionsreaktoren bilden. Mithilfe moderner Synchrotron- und Neutronenmethoden entdeckten die Forschenden zunächst unerwartete Phasen im Inneren 3D-gedruckter Stähle – und zeigen nun, welche Prozesse an den Grenzflächen verschiedener Materialien ablaufen und wie sich diese durch den Druckprozess beeinflussen lassen.

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 jedoch extremen Bedingungen standhalten: hohen Temperaturen, starken mechanischen Belastungen und intensiver Strahlung. Entscheidend dafür ist die Mikrostruktur der eingesetzten Materialien, die während des Druckprozesses entsteht.

Die Studien sind in Zusammenarbeit zwischen dem Paul Scherrer Institut (PSI) und DESY entstanden und wurden in den Fachmagazinen Additive Manufacturing sowie Materials & Design veröffentlicht.

Grenzflächen zwischen Wolfram und Stahl im Fokus

Im Mittelpunkt der aktuellen Studie standen Proben aus Wolfram in Kombination mit einem speziellen Edelstahl (AISI 415), dessen Mikrostruktur hauptsächlich aus den Stahlphasen Ferrit und Martensit besteht. Die Proben wurden mithilfe eines metallischen 3D-Druckverfahrens hergestellt, dem sogenannten Laser-Pulverbettverfahren (PBF-LB/M), bei dem Metallpulver schichtweise durch einen Laser aufgeschmolzen und anschließend rasch erstarrt. Auf diese Weise wird das Material Schicht für Schicht zu dreidimensionalen Strukturen aufgebaut. Wolfram gilt als ein vielversprechender Kandidat für Bauteile, die direkt dem heißen Plasma von Kernfusionsreaktoren ausgesetzt sind, während Stähle als strukturelle Materialien dienen.

Besonders relevant ist die Grenzfläche zwischen beiden Materialien, da dort während des Druckprozesses komplexe Mikrostrukturen entstehen können, die die Eigenschaften der Bauteile beeinflussen. Mithilfe hochauflösender Röntgenmethoden – Mikro-Röntgenbeugung (μXRD) zur Analyse der Kristallstruktur und Mikro-Röntgenfluoreszenz (μXRF) zur Bestimmung der chemischen Elementverteilung – untersuchte das Team diese Grenzbereiche mit mikrometergenauer Auflösung. Dabei zeigte sich, dass sich an der Grenzfläche die intermetallische Phase Fe₇W₆ bildet.

Die Studie zeigt zudem, dass sich die Bildung der unerwünschten Fe₇W₆-Phase durch eine gezielte Anpassung der Energiezufuhr während des Druckprozesses – im Sinne einer schichtweisen Energiegradientenstrategie – deutlich reduzieren lässt. Neben der Phasenbildung untersuchte das Team auch die mechanischen Spannungen im Inneren der additiv gefertigten Bauteile mithilfe der Neutronen-Bragg-Edge-Bildgebung am PSI.

Synchrotronmethoden liefern Einblick in komplexe Mikrostrukturen

Viele der inneren Strukturen additiv gefertigter Metalle lassen sich mit konventionellen Methoden nur schwer untersuchen. Experimente an der P06-Strahllinie bei DESY sowie am PSI lieferten hochauflösende Informationen über die Kristallstruktur und die chemische Zusammensetzung des Materials. Die Entstehung solcher Mikrostrukturen wurde anschließend in Operando-Experimenten an der microXAS-Beamline am PSI untersucht: „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.“

Messungen an der Synchrotronquelle PETRA III bei DESY bilden einen zentralen Bestandteil der Studie und ermöglichten eine detaillierte Analyse der Phasenstruktur im Inneren der Materialien: „Mithilfe hochenergetischer Mikro-Röntgenbeugung können wir direkt in das Innere solcher Materialien blicken und ihre Phasenstruktur dreidimensional kartieren“, erklärt Gerald Falkenberg, Leiter der Beamline P06 an PETRA III. „Auf diese Weise lassen sich Strukturen sichtbar machen, die mit konventionellen Methoden verborgen bleiben.“

Frühere Studie zeigte unerwartete Stahlphasen

In einer früheren Studie hatte das Forschungsteam bereits unerwartete Mikrostrukturen im Inneren additiv gefertigter Stähle entdeckt. Synchrotronmessungen zeigten, dass sich geringe Mengen einer Hochtemperaturphase in bestimmten Bereichen des Materials in Form von Restaustenit erhalten können. Die Verteilung dieser unerwarteten kristallinen Phase steht in direktem Zusammenhang mit der Bahn des beim Herstellungsprozess eingesetzten Lasers, während ihre Menge vor allem von der während der Laserbearbeitung in das Material eingebrachten Energie abhängt.

Die Experimente bei DESY und an der PSI 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. „Mit PETRA IV werden wir solche Mikrostrukturen künftig wesentlich schneller und mit deutlich höherer Empfindlichkeit und Auflösung untersuchen können“, ergänzt Gerald Falkenberg. „Damit können wir additive Fertigungsprozesse und ihre Auswirkungen auf die Materialstruktur erstmals systematisch und in drei Dimensionen analysieren.“