Revolutionäre 3D-Bildgebung deckt verborgene Risse in Nickelbasislegierungen auf

• Erstmals entwickelten Forscher eine Technik für 3D-Bilder mikroskopischer Risse in Nickelbasislegierungen durch Wasserstoff- oder Wassereinwirkung.
• Hilft Ingenieuren, Mikrostrukturen mit verlängerter Materiallebensdauer zu entwickeln – Kostenersparnis bei Reparaturen und Austausch.

Mikrobrüche in Metalllegierungen sind mit bloßem Auge unsichtbar, können sich aber bei Wasserstoff- oder Wassereinwirkung auf andere Bereiche ausdehnen und zu ernsthaften Problemen in Kernkraftwerken, elektrochemischen Systemen, Wasserstoffspeichertechnologien und Bauwerken wie Brücken und Hochhäusern führen.

Wasserstoffversprödung (HE) von Legierungen zeigt sich typischerweise durch unerwartete Brüche und Duktilitätsverlust, was ein sich stetig ausweitendes Spektrum an Materialversagen verursacht. Da HE-Intensität mit Metallfestigkeit zunimmt, sind fortschrittliche Legierungen (wie Nickelbasislegierungen) anfälliger für HE. Um HE vorherzusagen und zu verhindern, braucht man detailliertes Wissen über seine physikalischen Ursprünge.

Forscher am MIT und LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) entwickelten kürzlich eine Technik für dreidimensionale Bilder mikroskopischer Risse in Legierungen durch Wasserstoffversprödung. Diese Bilder können verschiedene Korngrenzen oder Orientierungen mikroskopischer Strukturen erkennen, die Brüche ablenken und wasserstoff- oder wassergestützte Schäden verhindern.

Wie haben sie es gemacht?

Die neue Technik – 3D-Mikrostruktur-Mapping – basiert auf Synchrotron-basierter Röntgenbeugung und Tomografie zur Analyse von Nickel-Legierungsrissen durch Wasserstoff/Wasser.

Um die Ausbreitung von Metallrissen präzise zu analysieren, muss man das Problem in drei Dimensionen simulieren. Zudem braucht man ausreichend Daten über Rissmorphologie und deren Bezug zur Mikrostruktur.

Für eine zerstörungsfreie Bewertung bestrahlten die Autoren gesprungene Nickel-Legierungen mit hochintensiven Röntgenstrahlen. Sie platzierten eine Kamera, um alle transmittierten und gebeugten Strahlen aufzufangen. Dann testeten sie Hunderttausende Orientierungen mikroskopischer Strukturen und untersuchten Millionen Punkte.

Referenz: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Bildnachweis: Dharmesh Patel / Texas A&M University

Durch Ausrichtung der Daten an physikalischen Modellen transformierten sie die Beugungspunkte in ein dreidimensionales Mikrostruktur-Bild. Dieses 3D-Bild zeigt, welche Korngrenzen Risse ablenken können – Ergebnisse deuten darauf hin, dass BLIPS (Grenzen mit niedrigen Indexebenen) schadensresistent sind.

Wie ist es nützlich?

Die Technologie kann Fortschritte in Metallverarbeitungsverfahren bringen, die die weitere Rissausbreitung in Nickel-Legierungen stoppen. Dies würde Materialien stärken und ihre Lebensdauer für Komponenten und Strukturen erhöhen.

Konkret könnte sie Vorhersagen mechanischer Reaktionen von HE-Legierungen verbessern. Schädliche Korngrenzen können beim Legierungsdesign herausgefiltert werden, während Hürden für Brüche eingebaut werden, die deren Wachstum stoppen.

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Zudem helfen Daten aus 3D-Bildern Ingenieuren, effektive Mikrostrukturen mit verlängerter Materiallebensdauer zu entwickeln – Kostenersparnis bei Reparaturen/Austausch. Zur Lebensdauererhöhung sollte die Mikrostruktur mit großen Mengen an BLIPS verarbeitet werden, die Risse besser ablenken oder abstumpfen.