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Samstag, 23. Februar 2019

Physik

Durchblick dank Neutronenstrahlen

Von Stefan Asche | 8. November 2018 | Ausgabe 45

Um das Innenleben von Bauteilen zerstörungsfrei zu inspizieren, bieten Neutronenstrahlen unterschiedliche Möglichkeiten. Drei Beispiele.

BU Neutronen
Foto: W. Schürmann / TU München

Eine Kurbelwelle unter Neutronenbeschuss. Mit der Strahlung lassen sich sogar 3-D-Bilder aus dem Inneren des Bauteils machen.

Wer stark beanspruchte Bauteile wie Turbinenschaufeln nach ihrer Nutzung zerstörungsfrei prüfen will, findet in Neutronen wichtige Helfer. Denn sie durchdringen Komponenten mit schweren Elementen viel leichter als Röntgenstrahlen. Hintergrund: Neutronen wechselwirken vor allem mit dem Kern des Atoms, während die Röntgenstrahlung mit der Elektronenhülle interagiert. Ein weiterer Vorteil der Neutronen ist, dass sie – zerstörungsfrei – mit sehr hoher Eindringtiefe eingesetzt werden können. Dieses Verhalten ermöglicht u. a. die sogenannte Kleinwinkelstreuung sowie diffraktometrische Eigenspannungstests.

Wie das jeweils funktioniert, weiß Ralph Gilles vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) an der TU München. „Mit der Kleinwinkelstreuung lassen sich z. B. die einkristallinen Ausscheidungen untersuchen, mit denen die Legierung gehärtet wurde.“ Dazu wird ein Neutronenstrahl senkrecht auf die Probe geschossen und auf der anderen Seite – nach Wechselwirkung mit der Legierung – wieder aufgefangen. „Entscheidend bei der Analyse ist der Austrittswinkel der Neutronen“, so Gilles. Dieser werde vor allem von der Größe der Ausscheidungen bestimmt. Aufgrund der Temperaturen und mechanischen Kräfte, die in der Turbine auftreten, können diese Ausscheidungen in Größe, Form und Volumenanteil verändert werden, was sich in den Neutronenstreuversuchen widerspiegelt.

Diese Veränderungen können eine Schwächung des Materials zur Folge haben. Denn je inhomogener die einkristallinen Strukturen im Material verteilt sind, desto eher können sich Instabilitäten in der Legierung ausbilden – etwa Risse. Das Gleiche passiert, wenn die Ausscheidungen zu groß werden. Verlässlich ist die Methode allerdings nur für Ausscheidungen in der Größe zwischen 1 nm und ca. 300 nm.

Die Neutronendiffraktion untersucht nicht Einkristalle als Ganzes, sondern setzt auf der Ebene einzelner Atome an. „Bei ihr wird ein Neutronenstrahl in einem Winkel zwischen etwa 10 Grad und 60 Grad auf den Prüfkörper geschossen“, so Gilles. „In der Folge entstehen Beugungsreflexe in Richtung des doppelten Einfallswinkels. Diese geben Auskunft über die aktuelle Atomanordnung und Abstände im Atomgitter – und damit mittelbar über die Eigenspannung des Materials.“ Als Referenzwert diene ein Bauteil, das weitestgehend spannungsfrei hergestellt wurde. „Wenn sich die Beugungsreflexe verschieben oder sich die Form der Beugungsreflexe ändert, deutet das auf eine gesteigerte Eigenspannung hin. Dann drohen Risse oder gar Zerstörungen bei weiterer Beanspruchung des Bauteils.“

Ein drittes, auf Neutronenstrahlen basierendes Verfahren ist die Neutronenradiographie. Dabei werden die zu prüfenden Objekte aus vielen verschiedenen Winkeln durchleuchtet. Kontrastunterschiede in den resultierenden Bildern deuten auf Inhomogenitäten im Material hin. Dies können dann kleine Risse oder Lunker sein, die später zum Versagen des Bauteils führen. Mittels geeigneter Bildverarbeitungsprogramme lassen sich die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder zu einem dreidimensionalen Gesamtbild zusammenführen. Schnitte in diesem 3-D-Bild können genau sichtbar machen, wo die internen Gefahrenzonen liegen.