R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit NeutronenRichard Wagner

Institut Laue-Langevin

Grenoble

Institut Laue-Langevin Grenoble

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

FRM und ILL: Wissenschaftliche Partner seit 40 Jahren

Institut Laue-LangevinGrenoble

ForschungsneutronenquelleHeinz Maier-LeibnitzLouis NéelHeinz Maier-Leibnitz

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Forschung mit Neutronen ?

…Grundlagen- oder anwendungsnaheForschung…?

Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen!Max Planck

Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen!Max Planck

Albert Fert Peter Gruenberg

Fe

Cr

Fe

Fe

Cr

Fe

GMR-Effekt

Magnetische Mehrfachschichten

Neutronenreflektometrie

M

M

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Ziele:● Herstellung von Materialien/Werkstoffen fuer neuartigeAnwendungen

● Ersatz von « konventionellen » Materialien

● Entwicklung neuartiger Herstellungstechnologien

● Material- und Qualitaetspruefung

….Materialforschung und –entwicklung !!!

Industrielle Forschung mit Neutronen

Hochleistungs-Strukturwerkstoffe

- mechan. Eigenschaften σ, T-

● Metalle

●Legierungen

●Keramiken

●Kunststoffe

●Verbundwerkstoffe

Funktionswerkstoff-werkstoffe

- physikal/chem. Eigenschaften -

● Magnete

●Schichtsysteme

●Supraleiter

●Halbleiter

●Katalysatoren

Motivation:● optimierte Eigenschaften

● neue Anwendungsfelder

● Energieeinsparung

● Oekologie

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Anwendungsbereiche● Entwicklung neuer Herstellungsverfahren

● Schaedigungsmechanismen unter Belastung (σ ;ε ; T; Φ)

● Entwicklung/Einstellung von Mikrostrukturen

● Zerstoerungsfreie Werkstoff-/Bauteilpruefung

Schematische Darstellung elastischer n-Streukurven

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Korngrenzen-segregationen

f(c,T,p)

Poren f(σ,ε;T,t)Voids f(Φ,T,t)He-Blasen

Ausscheidungenf(R,T,t)

Entwicklung/Einstellung vonMikrostrukturen

V(R)

[%/n

m]

Radius /nmScattering vector q [1/nm]

SANS and USANS studies

M. Klatt et al.

V(R)creep pores

V(R) glass

dΣ/dΏ

(1/c

m)

Kriechporen in Fluessig-Phase gesintertem AL2O3

AL2O3 Leitschaufel

Kriechporen

Glastaschen

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

σ

σ

M. Klatt et al.

FRM_31. Oct. 2007

Entwicklung des Porenvolumens f(ε ; dε/dt ) %

Kriechporen in Fluessig-Phase gesintertem AL2O3

AL2O3 Leitschaufel

Ausscheidungskinetik in uebersaettigten Legierungen

q [1/nm]

Stre

uque

rsch

nitt

Cu-0.8at%Co

T= 490 °C

Fe-0.35%Cu; Cu-Ti; Ni-AlT.Ebel, R.Kampmann, R.Wagner

Ausscheidungen

Δc=f(T,t)

Decomposition kinetics-Cluster Dynamics Model-

Cu- 1.9at% Ti ; T= 350 °C

R ~ta(t)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.5min a

a=1/3

a=1/2

Transition regimeLSW coarsening regime

growth regime

nucleation

R.Kampmann, R. Wagner

Time/ min

Hydrogen is considered as an alternative energy carrier for the future…

…and light metal hydrides offer the potential of safest hydrogen storage in a tank

Materials for hydrogen storage

• Reduction of operating temperature

• Acceleration of kinetics, e.g. with catalysts

Current challenges:

Need to understand the microstructure of the hydrides and structural changes during loading and unloading with H2

Important contribution by neutron scattering(Hydrogen contrast)

In-house research in cooperation with industry

Helmholtz Initiative 'FuncHy: Functional Materials for Mobile Hydrogen Storage'

Size distribution

Loading and unloading of Mg powder with H2 at 300 °CRecent SANS results:

Combination of SANS and USANS required

Materials for hydrogen storage

nano-crystallites

powder particles

Scattering curvecoarsening

of nano-crystallites

size reduction of powder particles

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Herstellungstechnologien

M. Turski et al. (Open University, UK)

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Eigenspannungsanalysen

Dehnung ε

Zugs

pann

ungσ

Bruch

large end bearing

Farb-Code: VerschiedeneDruckspannungenSTRESS SPEC @ FRM II

P. Lemke, TU Berlin, M. Hofmann, FRM-II

Industrielle Forschung mit NeutronenEigenspannungsanalysen in gehaerteten Kurbelwellen

Tangential stress profile along the red line

-800

0

800

0.0 10.0

distance to the radius of the main bearing

resi

dual

stre

sses

pa]

Oil

chan

nel

induction hardended zone

D. Hughes et al./ILLFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Example of ‘commercial’ industrial experiment (SALSA)

Residual stress in titanium used aircraft engine disc. (French company)

o 700mm diameter, 30kg

o Non-destructively only practical using diffraction

o Company needs to understand residual stress in engine disc

o Commercially sensitive information

Commercial experiment ensures data ownership and rapid access where possible.

Titan-Flugturbinenscheibe(franzoes. Hersteller)

700 mm Dmr.

30 kg

Eigenspannungsanalysen

Texturen in intermetallischen γ-TiAl Legierungen

Texturentwicklung nachuniaxialer Stauchung

Strangpressen, Formschmieden

H.G;Brokmeier et al.

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

Industrielle Forschung mit Neutronen

Zerstoerungsfreie Pruefung

-Neutronentomographie-

World Conference on Neutron Radiography, 15.-19.10.2006, Gaithersburg, USA

Neutronenradiographieeines 4-Kolben Motors

B. Schillinger et al.

ANTARES @

World Conference on Neutron Radiography, 15.-19.10.2006, Gaithersburg, USA

Absorptions-kontrastRadiographie ( μ )

Phasenkontrast

Radiographie

Alu-Schaum

AlMg4.5Mn (1)

AlSi9Cu4 (2)

Entwicklung der

Phasenkontrasttomographie

an ANTARES @

K. Lorenz, B.Schillinger

Phasenverschiebg.:

δ1= 1-Re[n1] < δ2

R. WagnerFRM_31. Oct. 2007

…...vi

elErf

olgfue

r die

naechs

ten50

Jahre

…..!

Size distribution

Loading and unloading of Mg powder with H2 at 300 °CRecent SANS results:

Combination of SANS and USANS required

Materials for hydrogen storage

nano-crystallites

powder particles

Scattering curvecoarsening

of nano-crystallites

size reduction of powder particles