Integration eines funktionell gradierten W/Cu-Übergangs für Divertorkomponenten von Fusionsanlagen

Pintsuk, Gerald; Schubert, Florian

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-8842

Integration eines funktionell gradierten W/Cu-Übergangs für Divertorkomponenten von Fusionsanlagen

Pintsuk, Gerald (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerald Pintsuk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangGetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schubert, Florian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-07-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8842
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59564/files/Pintsuk_Gerald.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Divertor (Genormte SW) ; Wolfram (Genormte SW) ; Kupfer (Genormte SW) ; Funktioneller Gradientenwerkstoff (Genormte SW) ; Plasmaspritzen (Genormte SW) ; Laserstrahlsintern (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Werkstoffprüfung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Fusiojn (frei) ; Divertor (frei) ; W/Cu (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine der schwierigsten Aufgabengebiete bei der Realisierung zukünftiger Fusionsanlagen, wie z.B. ITER (lateinisch für „der Weg”) ist die Entwicklung plasmabelasteter Komponenten im Bereich des Divertors. Diese werden im stationären Zustand thermischen Leistungsdichten bis zu 20 MW/m2 ausgesetzt sein. Die bevorzugte Designoption ist eine aus Wolfram und Kupfer bzw. Kupferlegierungen gefertigte Divertorkomponente. Aufgrund der starken Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodul führen thermische Belastungen und die Ausbildung eines damit verbundenen Temperaturgradienten in der Komponente zu hohen Spannungen an der Fügeschicht. Die Entwicklung einer alternativen Designoption für den Divertor beinhaltet die Integration eines funktionell gradierten Materials (FGM). Dieses sorgt für einen stetigen Übergang zwischen den unterschiedlichen Materialeigenschaften, wodurch eine Minimierung der Spannungsspitzen und damit eine Optimierung des Bauteilverhaltens unter Betriebsbedingungen erreicht wird. Der Niedrigdruck-Plasmaspritzprozess und das direkte Lasersintern werden zur Realisierung gradierter Verbundwerkstoffe aus Wolfram und Kupfer vorgestellt. Basierend auf den Voruntersuchungen werden mit beiden Verfahren W/Cu-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt. An daraus gefertigten Kleinproben werden thermo-mechanische und thermo-physikalische Werkstoffeigenschaften bestimmt und über den gesamten technisch herstellbaren Mischungsbereich interpoliert. Dieser beschränkt sich für den Lasersinterprozess auf Mischungsverhältnisse mit einem Kupfer-Gehalt von ~20 bis 100 Vol% und ist damit dem Plasmaspritzprozess technisch unterlegen. In Finite-Element-Analysen zum plastischen Verhalten werden die ermittelten Materialeigenschaften in das 2-dimensionale Modell eines Divertormoduls mit integriertem funktionellen W/Cu-Gradienten implementiert und Geometrie sowie funktioneller Aufbau des gradierten Werkstoffes optimiert. Aufgrund dieser Analysen liefert ein gradierter Werkstoff mit hohem Wolfram-Gehalt für beide Herstellungsverfahren die besten Ergebnisse. Eine weitere Optimierung der Spannungssituation wird durch die Kastellierung des Plasma Facing Materials (PFM) unter Miteinbeziehung des gradierten Verbundwerkstoffes in Bereiche mit einer Querschnittsfläche von 4.5 x 4.5 mm2 erreicht. Dadurch kommt es zu einer Verlagerung der kritischen Spannungen von dem mechanisch gefügten Übergang zwischen PFM und gradierter Schicht hin zur Diffusionsverbindung zwischen Gradientenschicht und Kupfer. Das Fügen der Werkstoffe Wolfram, OFHC-Cu (Oxygen Free High Conductivity) und CuCrZr in der Fertigung von Divertormodulen mit plasmagespritzter funktionell gradierter W/Cu-Zwischenschicht erfolgt mittels des HIP-Verfahrens bei Temperaturen bis 550øC und einem Druck von 195 MPa. Hierzu bildet eine galvanisch hergestellte Cu-Diffusionsbindungsschicht den Abschluss der gradierten Schichtstruktur und dünne galvanische Ni-Schichten werden zur Stärkung der Diffusionsbindung eingesetzt Die zerstörungsfreie Charakterisierung der Fügeschichten mittels Ultraschall zeigt punktuelle Fehlstellen in Bereichen nahe den Seitenflächen des Moduls. Der kastellierte Modul übersteht in High-Heat-Flux-Tests (HHF) an der Elektronenstrahlanlage JUDITH stationäre Leistungsdichten bis 23.8 MW/m2 und thermozyklische Belastungen bei 150 Zyklen und 20 MW/m2. Dadurch wird gezeigt, dass durch die Integration einer gradierten Schicht aus W/Cu die Beständigkeit gegenüber thermischen Belastungen verbessert. Im besonderen der Kastellierung kommt hierbei große Bedeutung zu.

One of the most difficult topics in the design and development of future fusion devices, e.g. ITER (Latin for "the way") is the field of plasma facing components for the divertor. In steady-state mode these will be exposed to heat fluxes up to 20 MW/m2. The favored design-option is a component made out of tungsten and copper-alloys. Since these materials differ in their thermal expansion coefficient and their elastic modulus a temperature gradient within the component, caused by thermal loads, results in stresses at the interface. An alternative design-option for divertor-components deals with the insertion of a functionally graded material (FGM) between tungsten and copper. This establishes a continuous change of material properties and therefore minimize the stresses and optimize the thermal behavior of the component. Low pressure plasma-spraying and direct laser-sintering are introduced as possible production-methods of graded W/Cu-composites. Based on preliminary investigations both are used for fabricating W/Cu-composite materials with different mixing ratios. Thermo-mechanical and thermo-physical material properties will be determined on these composites and extrapolated to all mixing ratios. For laser-sintering these are limited to Cu-contents of ~20 to 100 Vol%. Therefore the plasma-spraying process is favored. In finite-element-analyses the graded material and its material properties will be implemented into a 2-D simulation-model of a divertor component. The composition and the design of the graded W/Cu-composite will be optimized. Best results are obtained by high contents of tungsten within the graded layer, which are still improved by a macro-brush design with dimensions of 4.5 x 4.5 mm2. This results in a transfer of critical stresses from the mechanical bonded interface between the plasma facing and the graded material to the diffusion bonded interface between the graded material and copper. The joining of tungsten, a plasma-sprayed graded W/Cu-interlayer, OFHC-Cu (Oxygen Free High Conductivity) and CuCrZr will be done by Hot Isostatic Pressing. Parameters are a temperature of 550øC an a pressure of 195 MPa. Electrochemical deposited copper and nickel are added. Copper is used as surface layer of the graded W/Cu-composite and nickel for the strengthening of the diffusion bonding. Ultra-sonic-testing revealed narrow areas with inhomogeneous bonding at the interface, mainly nearby the outer surface of the module. The module containing the macro-brush has been tested at the electron-beam test facility JUDITH. It survived power loads at steady state operation of 23.8 MW/m2 and 150 cycles at 20 MW/m2 during thermal fatigue experiments. These results verify, that the insertion of a graded W/Cu-interlayer increases the resistance against thermal loads. Especially in the combination with the castellated structure.

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