Features of surface modification of copper-based alloys under powerful plasma exposures

Paper presents features of plasma alloying of Cu-based materials with Ti-Cr, Ti-Cr-Ti-Nb, Ti-Cr-Ti-Zr, Ti-Cr-TiZrO coatings in different regimes of the QSPA Kh-50. Targets were made from copper samples covered of multilayer PVD coatings have been deposited within a Bulat-type facility. Prepared targets were irradiated with powerful plasma streams with energy loads achieved 0.6 MJ/m2 and the pulse duration of 0.25 ms. Influence of plasma impacts on modification different copper alloys has been analyzed. Mechanisms of modification of thin multilayered coatings mixed with Сu substrate in a liquid phase under the plasma processing are evaluated.Описано особливості плазмового легування матеріалів на основі міді з покриттями Ti-Cr, Ti-Cr-Ti-Nb, TiCr-Ti-Zr, Ti-Cr-Ti-ZrO в різних режимах КСПП Х-50. Проаналізовано вплив плазмових навантажень на модифікацію різних мідних сплавів. Зразки було виготовлено з міді та багатошарових покриттів, які утворювались PVD-методом в установці булатного типу. Підготовлені мішені опромінювалися потужними плазмовими потоками з енергетичними навантаженнями, що досягали 0,6 МДж/м 2 , з тривалістю імпульсу ~ 0,25 мс. Обговорюються механізми модифікації тонких багатошарових покриттів, змішаних з мідною підкладкою в рідкій фазі при плазмовому опроміненні.Описаны особенности плазменного легирования материалов на медной основе с покрытиями Ti-Cr, Ti-CrTi-Nb, Ti-Cr-Ti-Zr, Ti-Cr-Ti-ZrO в разных режимах КСПУ Х-50. Проанализировано влияние плазменных нагрузок на модификацию разных медных сплавов. Образцы были изготовлены из меди и многослойных покрытий, осажденных PVD-методом в установке булатного типа. Подготовленные мишени облучались мощными плазменными потоками с энергетическими нагрузками, достигавшими 0,6 МДж/м2 , с длительностью импульса ~ 0,25 мс. Обсуждаются механизмы модификации тонких многослойных покрытий, смешанных с медной подложкой в жидкой фазе при плазменном облучении

Damaging of pure tungsten with different microstructure under sequential QSPA and LHD plasma loads

The cracking thresholds were evaluated for tungsten samples with different microstructure in the course of QSPA Kh – 50 repetitive plasma loads. No damage has been observed on the exposed surfaces under 0.1 MJ/m². Nevertheless, cracks were detected in the bulk of irradiated tungsten (with longitudinal grain orientation). Increasing heat load up to 0.2 MJ/m² caused the damaging of all types of tungsten targets. The observed cracks propagate to the bulk mainly transversely and parallel to the irradiated surface. The effect of the subsequent exposure with LHD divertor plasma on the tungsten samples was analyzed. The obtained results are discussed.Було оцінено пороги розтріскування для зразків вольфраму з різною мікроструктурою в процесі повторюваних плазмових навантажень КСПП Х–50. При навантаженнях менше 0,1 МДж/м², на відкритих поверхнях зразків вольфраму ушкоджень не спостерігається. Проте, тріщини спостерігаються в обсязі опроміненого зразка вольфраму з поздовжньою орієнтацією зерен. Підвищення теплового навантаження до 0,2 МДж/м² призводить до пошкодження всіх типів вольфрамових мішеней. Тріщини поширюються в обсязі в основному поперечно і паралельно до опромінюваної поверхні. Проаналізовано вплив діверторної плазми LHD на поверхню зразків вольфраму. Порівнюються результати впливу на зразки вольфраму з різною мікроструктурою.Были оценены пороги растрескивания для образцов вольфрама с различной микроструктурой в процессе повторяющихся плазменных нагрузок КСПУ Х–50. При нагрузках менее 0,1 МДж/м² на открытых поверхностях образцов вольфрама повреждений не наблюдается. Тем не менее трещины наблюдаются в объеме облученного образца вольфрама с продольной ориентацией зерен. Повышение тепловой нагрузки до 0,2 МДж/м² приводит к повреждению всех типов вольфрамовых мишеней. Наблюдаемые трещины распространяются в объеме в основном поперечно и параллельно облучаемой поверхности. Проанализировано влияние диверторной плазмы LHD на поверхность образцов вольфрама. Сравниваются результаты воздействия на образцы вольфрама с различной микроструктурой

Damaging of Tungsten and Tungsten–Tantalum Alloy Exposed in ITER ELM-like Conditions

The damage of deformed double forged pure tungsten (W) and tungsten alloyed with 5 wt% tantalum (WTa5) have been studied in experimental simulations of ITER-like transient events with relevant surface heat load parameters (energy density up to 0.75 MJ/m2 and the pulse duration of 0.25 ms) as well as particle loads (varied in wide range from 1023 to 1027 ion/m2 s) with quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The plasma exposures were performed for the targets maintained at room temperature and preheated at 200 °C. The surface heat loads were either with no melting of W surface or above the melting threshold. The development of surface morphology of the exposed targets as well as cracking and swelling at the surface is discussed. Surface analysis was carried out with an optical microscopy and SEM. Surface modification and development of cracks led to increases of roughness of exposed surfaces. X-ray diffraction (XRD) has been used to study the micro-structural evolution of the exposed targets. The micro deformations of W and WTa5 are similar for targets exposed under similar conditions. The contribution of excess complexes of interstitial atoms in the formation of cracks after plasma irradiation was evaluated

Simulation of Plasma-Surface Interactions in a Fusion Reactor by Means of QSPA Plasma Streams: Recent Results and Prospects

This paper is devoted to plasma–surface interaction issues at high heat-loads which are typical for fusion reactors. For the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), which is now under construction, the knowledge of erosion processes and the behaviour of various constructional materials under extreme conditions is a very critical issue, which will determine a successful realization of the project. The most important plasma–surface interaction (PSI) effects in 3D geometry have been studied using a QSPA Kh-50 powerful quasi-stationary plasma accelerator. Mechanisms of the droplet and dust generation have been investigated in detail. It was found that the droplets emission from castellated surfaces has a threshold character and a cyclic nature. It begins only after a certain number of the irradiating plasma pulses when molten and shifted material is accumulated at the edges of the castellated structure. This new erosion mechanism, connected with the edge effects, results in an increase in the size of the emitted droplets (as compared with those emitted from a flat surface). This mechanism can even induce the ejection of sub-mm particles. A concept of a new-generation QSPA facility, the current status of this device maintenance, and prospects for further experiments are also presente