W/Cu-Gradientenstrukturen für Komponenten mit unmittelbarem Plasmakontakt in Fusionsreaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein gradierter W/CuCrZr-Werkstoff mit Multilagen-Struktur für Komponenten mit unmittelbarem Plasmakontakt in Fusionsreaktoren entwickelt. Dieser Gradientenwerkstoff wurde durch vollständige Infiltration eines porösen 3-schichtigen Wolframskeletts mit einer ausscheidungsgehärteten CuCrZr-Legierung hergestellt. Diese Legierung bewirkt eine erhöhte Festigkeit (gegenüber herkömmlichen W/Cu-Verbundwerkstoffen) kombiniert mit einer ausreichenden Duktilität im Temperaturintervall zwischen Raumtemperatur und 550°C. Das Gefüge der W/CuCrZr-Gradienten wies eine minimale Restporosität von < 1% und eine sehr gute Verbindung der einzelnen Schichten auf. Auffallend war jedoch eine CuCrZr-Zwischenschicht an der Grenzfläche W-Ziegel/W70vol%CuCrZr30vol%-Schicht mit einer variierenden Dicke von 50 bis 100μm. Mittels FEM wurde ein minimaler Einfiuss dieser CuCrZr-Zwischenschicht (Grenzfläche W-Ziegel/W70vol%CuCrZr30vol%-Schicht) auf das Spannungsprofil im W/CuCrZr-Gradienten-Bauteil gezeigt, wobei jedoch große plastische Dehnungen in der Zwischenschicht auftreten können. Um diese zu minimieren, wurde auf der Basis von FEM-Modellierungen zu den Schichtdicken des gradierten Überganges ein anwendungsoptimierter W/CuCrZr-Gradientenwerkstoff vorgeschlagen. Die erfolgreichen Tests mit 100 Zyklen 10 MW/m^2 Belastung und Einzelpulsbelastung bis 20 MW/m^2 m Wärmeflussstand GLADIS zeigen, daß das entwickelte Konzept den erwarteten thermischen Belastungen im Divertor eines Fusionsexperiments sicher widersteht. Die, im Vergleich zu anderen Methoden der Herstellung gradierter Übergänge, einfache Herstellung läßt diese Entwicklung für die industrielle Herstellung von Divertorbauteilen attraktiv erscheinen. Wünschenswert ist eine weitere Entwicklung zu einem kontinuiertich gradierten Übergang, um auf die noch nötigen Verbindungen verzichten zu können. Dies würde sicherlich die Zuverlässigkeit der Bauteile noch weiter erhöhen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Synthesis, Characterization and FEM-modelling of W/CuCrZr-Composites for Extreme Thermal Applications" Proc. Powder Metallurgy World Congress & Exhibition. PM2010, Florence, Italy 10-14 October 2010. Vol. 5, pp. 383-90
S. Nawka, T. Schubert, A. Brendel, A. Zivelonghi, J.H. You, B. Kieback
- "Microstructure-based analysis of thermal- and mechanical behaviors of W/CuCrZr composites and porous W coating" Journal of Nuclear Materials, Vol. 417, Issues 1-3, 2011, pp. 536-539
A. Zivelonghi, A. Brendel, S. Lindig, S. Nawka, B. Kieback, J.H. You
- "Thermomechanical Behaviour of Two Heterogeneous Tungsten Materials via 2D and 3D Image-Based FEM" Dissertation, Technische Universität München, 2011
A. Zivelonghi
