Optimierung und Qualitätssicherung SLM-gefertigter Komponenten für kerntechnische Anwendungen

Abstract

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMUKN) geförderten Forschungsvorhabens FKZ 1501644 wurde die Eignung des additiven Fertigungsverfahrens Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) zur Herstellung sicherheitsrelevanter Komponenten für kerntechnische Anwendungen untersucht. Ziel war die Analyse und Bewertung der Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern, Werkstoffverhalten, Wärmebehandlung, prozessbedingten Ungänzen sowie Qualitätssicherungsmaßnahmen unter Berücksichtigung kerntechnischer Regelwerke. Am Beispiel des Reaktordruckbehälterstahls 22NiMoCr3-7 wurden umfassende Prozessparameterstudien durchgeführt und geeignete Parameterfenster identifiziert, die eine hohe Bauteildichte und reproduzierbare Werkstoffeigenschaften ermöglichen. Durch eine angepasste Wärmebehandlung konnte eine ferritisch-bainitische Mikrostruktur eingestellt werden, die hinsichtlich Härte, Festigkeit, Duktilität und Anisotropie eine hohe Übereinstimmung mit konventionell geschmiedetem Referenzmaterial aufweist. Mechanische Untersuchungen (statisch, zyklisch und bruchmechanisch) zeigten, dass die relevanten Mindestanforderungen der einschlägigen Regelwerke erfüllt werden und klassische bruchmechanische Bewertungsmethoden grundsätzlich auf additiv gefertigte Werkstoffe übertragbar sind. Ergänzend wurde das Konzept des additiv gefertigten „Physical Twins“ entwickelt und experimentell mittels einer Fallstudie validiert. Dabei konnten reale innere Fehlstellen gezielt in additiv gefertigten Bauteilen reproduziert und das Versagensverhalten sicherheitsrelevanter Strukturen experimentell untersucht werden. Der Vergleich von Bauteilversuchen und numerischen Simulationen zeigte eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich Versagensdruck, Rissinitiierung und -ausbreitung. Die Ergebnisse belegen, dass die additive Fertigung mittels L-PBF bei geeigneter Prozessführung, Wärmebehandlung und Qualitätssicherung ein hohes Potenzial für kerntechnische Anwendungen besitzt und eine belastbare Grundlage für zukünftige Qualifizierungs- und Bewertungsansätze bietet Within the BMUKN-funded research project FKZ 1501644, the suitability of the Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) additive manufacturing process for the production of safety-relevant components for nuclear applications was systematically investigated. The objective was to analyze and assess the interactions between process parameters, material behavior, heat treatment, manufacturing-induced defects, and quality assurance concepts in the context of nuclear regulatory requirements. Using the reactor pressure vessel steel 22NiMoCr3-7 as a reference material, extensive process parameter studies were conducted to identify stable parameter windows enabling high component density and reproducible material properties. An adapted post-process heat treatment allowed the formation of a ferritic–bainitic microstructure exhibiting high similarity to conventionally forged reference material in terms of hardness, strength, ductility, and anisotropy. Mechanical characterization, including static, cyclic, and fracture-mechanical testing, demonstrated compliance with relevant minimum requirements of applicable nuclear codes and confirmed the general applicability of classical fracture mechanics methods to additively manufactured materials. In addition, the concept of additively manufactured “Physical Twins” was developed and experimentally validated. Realistic internal defects were intentionally reproduced in additively manufactured components, enabling experimental investigation of the failure behavior of flawed structures. Component tests and numerical simulations showed strong agreement with respect to failure pressure, crack initiation, and crack interaction behavior. Overall, the results demonstrate that L-PBF additive manufacturing, when combined with appropriate process control, heat treatment, and quality assurance strategies, offers significant potential for safety-critical nuclear applications and provides a robust basis for future qualification and regulatory assessment approaches.