Entwicklung eines Zwei-Interferometer-Scanners zur zerstörungsfreien Analyse von Mikrostrukturen in metallischen Bauteilen mittels Dunkelfeld-Röntgenbildgebung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stefan Funk; Dr. Veronika Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502045337

Eine wesentliche Eigenschaft von metallischen Werkstoffen, die in der additiven Fertigung oder beim Pressen von Metallpulvern hergestellt werden, ist z.B. die Porosität, die einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Bauteils hat. Eine zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung und Prüfung ist die Mikro-Computertomographie, die jedoch äußerst aufwendig ist und nur einen sehr kleinen Ausschnittsbereich des Bauteils betrachtet. Die gitterbasierte Röntgenbildgebung stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, um zusätzliche Objektinformation zur konventionellen Röntgenbildgebung zu gewinnen. Neben dem traditionellen Schwächungsbild können zwei weitere physikalische Effekte zur Kontrastgewinnung genutzt werden: die Phasenverschiebung von Röntgenwellen (Phasenbild) und die Streuung an granularen bzw. faserigen Strukturen des Objekts (Dunkelfeld). Dabei liefert das Dunkelfeldbild Information über Strukturen eines Objekts, die unterhalb der Auflösungsgrenze des bildgebenden Systems liegen. Diese Information kann für die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien wie z.B. zur Detektion von Rissen in carbonfaserverstärktem Kunststoff, zur Detektion von Lufteinschlüssen (Bläschen) in Materialien oder zur Unterscheidung von Partikelgrößen genutzt werden. Gerade das Röntgen-Dunkelfeldbild stellt daher für metallische Werkstoffe eine Alternative zur zerstörungsfreien makroskopischen Untersuchung des gesamten Bauteils dar, um strukturelle Informationen über die mikroskopischen Strukturen zu erhalten. So können z.B. Bauteile, die zu stark von der Norm der erwünschten Mikrostruktur abweichen, aussortiert und Fehler im Herstellungsprozess aufgedeckt werden. Ein entscheidender Parameter, der einen Zusammenhang des Dunkelfeldsignals mit den Strukturgrößen und -verteilungen beschreibt, ist die Korrelationslänge. Durch eine Variation der Korrelationslänge, die abhängig von aufbauspezifischen Größen, der Röntgenenergie und der Objektpositionierung zwischen den Gittern ist, können Rückschlüsse auf die Mikrostruktur einer Probe gezogen werden. Bisherige Ansätze verschiedene Korrelationslängen zu realisieren, benutzen die Röntgenenergie (mit dem Nachteil, dass sich dabei das Aufhärtungs-Dunkelfeld verändert) oder die Objektposition (mit dem Nachteil, dass sich dabei die Vergrößerung verändert). In dem beantragten Projekt soll die quantitative Analyse von Mikrostrukturen daher mithilfe eines Zwei-Interferometer-Scanners, der in einem Aufbau zwei verschiedene Korrelationslängen mittels zweier Gittersätze realisiert, ermöglicht werden. Es werden Wellenfeldsimulationen für typische Strukturgrößen durchgeführt und zusammen mit gemessenen Daten evaluiert, um quantitative Substrukturinformationen von metallischen Halbzeugen und Bauteilen zu extrahieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen