Promotionsthemen
Ionenbestrahlung und Materialcharakterisierung neuartiger additiv gefertigter Werkstoffe für Fusionsanwendungen
Promotionsstudent
Oleksandr Bychkov
Betreuer
Dr. Cornelia Kaden (HZDR), Prof. Dr. Martina Zimmermann (TU Dresden)
Abteilung
Konstruktionswerkstoffe
Zeitraum
02/2026 - 01/2029
Beschreibung
Quelle: Fraunhofer IWS
Zukünftige Fusionsreaktoren erfordern Strukturwerkstoffe, die extremer Neutronenbestrahlung und hohen Temperaturen standhalten können. Die Entwicklung von Legierungen mit hoher Bestrahlungsbeständigkeit und langfristiger mikrostruktureller Stabilität ist daher eine zentrale Herausforderung für Fusionsenergiesysteme. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Bestrahlungsbeständigkeit von TiVCrMnFe-Hochentropie-Legierungen (HEA) mit reduzierter Aktivierung, die so konzipiert sind, dass sie eine stabile einphasige kubisch-raumzentrierte (BCC) Struktur bilden. Die Arbeit ist Teil des gemeinsamen, vom BMFTR finanzierten Projekts AM-Shield, das computergestütztes Legungsdesign, additive Fertigung, Ionenbestrahlung und fortschrittliche mikrostrukturelle/mechanische Charakterisierung in einer Hochdurchsatz-Entwicklungsstrategie kombiniert, um aktivierungsarme Hochentropie-Legungen mit überlegenen Eigenschaften für Fusionsanwendungen zu entwickeln. Die Ergebnisse der Arbeit zu Defektentwicklung, Quellbeständigkeit, strahleninduzierter Verfestigung und Heliumeffekten fließen in den Legungsdesignprozess zurück.
Fusionsreaktoren erfordern Strukturwerkstoffe, die intensiver Strahlung und hohen Temperaturen standhalten und gleichzeitig langfristige Stabilität sowie eine geringe Aktivierung aufweisen. HEA-Legierungen, insbesondere solche mit kubisch-raumzentrierter (BCC) Struktur, sind aufgrund ihrer erhöhten Strahlungsbeständigkeit und geringeren Quellung vielversprechende Kandidaten.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Strahlungsbeständigkeit von TiVCrMnFe-basierten HEA mit reduzierter Aktivierung, die darauf ausgelegt sind, eine einphasige BCC-Mikrostruktur zu stabilisieren und gleichzeitig die Bildung spröder intermetallischer Phasen zu unterdrücken. Das Legierungskonzept orientiert sich an den Anforderungen an fusionsrelevante Strukturwerkstoffe, einschließlich Strahlungsbeständigkeit und mikrostruktureller Stabilität bei hohen Temperaturen. Besonderes Augenmerk wird auf das Verständnis der Rolle der Zusammensetzung und der Phasenstabilität bei der Bestimmung des Strahlungsverhaltens und der Defektentwicklung gelegt.
In dieser Arbeit werden vom Fraunhofer IWS hergestellte HEA-Proben mit gradiertem Zusammensetzungsverlauf verwendet, um das zusammensetzungsabhängige Bestrahlungsverhalten effizient zu untersuchen. Die Ionenbestrahlung dient als beschleunigtes Ersatzverfahren für die Neutronenbestrahlung und ermöglicht gleichzeitig eine systematische Steuerung der Bestrahlungsparameter. Zur Simulation fusionsrelevanter Quellungseffekte wird eine Helium-Vorimplantation mit einer Bestrahlung durch hochenergetische Fe-Ionen kombiniert, wodurch sowohl eine Heliumakkumulation als auch Verdrängungsschäden hervorgerufen werden. Die daraus resultierenden mikrostrukturellen und mechanischen Veränderungen werden mithilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken analysiert, was Einblicke in die bestrahlungsinduzierte mikrostrukturelle Entwicklung liefert, einschließlich Defektbildung (Schleifen, Hohlräume/Blasen), Phasenstabilität, Verfestigung und Quellung. Besonderes Augenmerk wird auf die Korrelation des Bestrahlungsverhaltens mit der Legierungszusammensetzung und der Mikrostruktur gelegt. Die Studie verfolgt einen mehrstufigen Ansatz, der schnelle Proxy-Experimente zur Vorauswahl von Materialien und schnelles Feedback in den Legierungsentwicklungsprozess mit einer eingehenden, fortschrittlichen Charakterisierung der leistungsstärksten Legierungskandidaten kombiniert.
Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung von Strukturwerkstoffen der nächsten Generation mit reduzierter Aktivierung für Fusionsenergiesysteme bei. Durch die Kombination von gezielter Legierungsentwicklung mit Bestrahlungsstudien unterstützt diese Arbeit die Identifizierung von BCC-HEA-Zusammensetzungen mit verbesserter Beständigkeit gegen bestrahlungsinduzierten Abbau und erhöhter Langzeitstabilität unter fusionsrelevanten Bedingungen.
