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Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Jarir Aktaa

jarir aktaa∂kit edu

Telefon +49 721 608 24946

Entwicklung und Optimierung von funktionsgradierten Wolfram/Stahl-Verbindungen

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von funktionsgradierten Wolfram/Stahl-Verbindungen zur Reduzierung der thermomechanischen Beanspruchung, die von einem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Wolfram und Stahl in Divertor-Komponenten zukünftiger Fusionskraftwerke herrührt. Während FEM Simulationen den Nutzen solch gradierter Schichten aufweisen, sollen Experimente deren Umsetzbarkeit offenbaren.

Gradierte Verbindung
Abb.1: Übergangsverläufe für eine direkte, gelötete und linear gradierte Verbindung

In Abb. 1 ist der Verlauf der Materialeigenschaften entlang einer Verbindung zur Verdeutlichung des Prinzips von gradierten Verbindungen aufgezeichnet. 


Simulationsmodell
Abb.2: Skizze des Simulationsmodells

Das hier verwendete Modell des heliumgekühlten Divertor-Designs für die FEM Simulatinen wird in Abb. 2 dargestellt. Es erlaubt eine genaue Ermittlung der idealen Schichtdicke und des Verlaufs der chemischen Zusammensetzung bzw. Materialkonzentrationen. Sowohl gestufte als auch kontinuierliche Übergangsverläufe werden in einer viskoplastischen Simulation mithilfe der Software ABAQUS analysiert.


Parallel zur theoretischen Beurteilung von gradierten Verbindungen geben Experimente Aufschluss über deren Umsetzbarkeit und Funktionstüchtigkeit. Insbesondere im Anwendungsgebiet der Fusionstechnologie stellen sowohl Wolfram als auch der Stahl ODS-EUROFER97 zweckhafte Strukturmaterialen dar. Anhand einer Auswahlprüfung erwiesen sich folgende drei Verfahren als besonders gut geeignet und wurden somit für zukünftige als auch bereits laufende Experimente ausgewählt:

 
  • Vakuum Plasma Spritzen
  • Magnetron Sputtern
  • Widerstandssintern unter ultra hohem Druck
 
Die hergestellten Proben werden in einer anschließenden mikrostrukturellen und mikromechanischen Charakterisierung analysiert und evaluiert. Zu den Analyseverfahren zählen Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktographie, Nanoindentation und Mikrozugprüfung.

Die durchgeführten FEM Simulationen zeigen, dass nach 100 thermischen Zyklen die maximale inelastische Dehnung des simulierten Bauteils bei einer linear gradierten Schicht mit einer Dicke von 500μm um zwei Größenordnungen geringer ausfällt im Vergleich zur direkten Verbindung [1]. Wohingegen die gelötete Verbindung, deren Materialeigenschaften der Mittelwert von Wolfram und Stahl ist, lediglich zu einer Reduzierung um eine Größenordnung führt. Die berechneten Dehnungen und Spannungen dienen als Basis für weitere Lebensdauerabschätzungen der Divertor-Komponente, was Gegenstand der momentanen Forschung ist.

 

Referenzen

[1] J. Aktaa, T. Weber, Assessment of Functionally Graded Tungsten/Steel Joints for Divertor Applications, ISFNT 9, Dalian, China, 2009, submitted to Fusion Engineering and Design.