Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4148
Pintsuk, Gerald
Integration eines funktionell gradierten W/Cu-Übergangs für Divertorkomponenten von Fusionsanlagen
III, 118 S., 2004
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 550°C 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 productionmethods
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 550°C 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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