Abstract
El wolframio (W) y sus aleaciones se consideran los mejores candidatos para la
construcción del divertor en la nueva generación de reactores de fusión nuclear.
Este componente va a recibir las cargas térmicas más elevadas durante el
funcionamiento del reactor ya que estará en contacto directo con el plasma. En
los últimos años, después de un profundo análisis y siguiendo una estrategia de
reducción de costes, la Organización de ITER tomó la decisión de construir el
divertor integramente de wolframio desde el principio. Por ello, el wolframio no sólo
actuará como material en contacto con el plasma (PFM), sino que también tendría
aplicaciones estructurales. El wolframio, debido a sus excelentes propiedades
termo-físicas, cumple todos los requerimientos para ser utilizado como PFM, sin
embargo, su inherente fragilidad pone en peligro su uso estructural. Por tanto, uno
de los principales objetivos de esta tesis es encontrar una aleación de wolframio
con menor fragilidad. Durante éste trabajo, se realizó la caracterización microstructural y mecánica de diferentes materiales basados en wolframio. Sin embargo, ésta tarea es un reto
debido a la pequeña cantidad de material suministrado, su reducido tamaño de
grano y fragilidad. Por ello, para una correcta medida de todas las propiedades
físicas y mecánicas se utilizaron diversas técnicas experimentales. Algunas de ellas
se emplean habitualmente como la nanoindentación o los ensayos de flexión en
tres puntos (TPB). Sin embargo, otras fueron especificamente desarrolladas e
implementadas durante el desarrollo de esta tesis como es el caso de la medida
real de la tenacidad de fractura en los materiales masivos, o de las medidas in situ
de la tenacidad de fractura en las láminas delgadas de wolframio. Diversas composiciones de aleaciones de wolframio masivas (W-1% Y2O3,
W-2% V-0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 y
W-4% Ti-1% La2O3) se han estudiado y comparado con un wolframio puro
producido en las mismas condiciones. Estas aleaciones, producidas por ruta
pulvimetalúrgica de aleado mecánico (MA) y compactación isostática en caliente
(HIP), fueron microstructural y mecánicamente caracterizadas desde 77 hasta
1473 K en aire y en alto vacío. Entre otras propiedades físicas y mecánicas se
midieron la dureza, el módulo elástico, la resistencia a flexión y la tenacidad de
fractura para todas las aleaciones. Finalmente se analizaron las superficies de
fractura después de los ensayos de TPB para relacionar los micromecanismos
de fallo con el comportamiento macroscópico a rotura. Los resultados obtenidos
mostraron un comportamiento mecánico frágil en casi todo el intervalo de
temperaturas y para casi todas las aleaciones sin mejoría de la temperatura de
transición dúctil-frágil (DBTT).
Con el fin de encontrar un material base wolframio con una DBTT más baja se
realizó también un estudio, aún preliminar, de láminas delgadas de wolframio puro
y wolframio dopado con 0.005wt.% potasio (K). Éstas láminas fueron fabricadas
industrialmente mediante sinterizado y laminación en caliente y en frío y se
sometieron posteriormente a un tratamiento térmico de recocido desde 1073 hasta
2673 K. Se ha analizado la evolución de su microestructura y las propiedades
mecánicas al aumentar la temperatura de recocido. Los resultados mostraron la
estabilización de los granos de wolframio con el incremento de la temperatura de
recocido en las láminas delgadas de wolframio dopado con potasio. Sin embargo,
es necesario realizar estudios adicionales para entender mejor la microstructura y
algunas propiedades mecánicas de estos materiales, como la tenacidad de fractura.
Tungsten (W) and tungsten-based alloys are considered to be the best candidate
materials for fabricating the divertor in the next-generation nuclear fusion reactors.
This component will experience the highest thermal loads during the operation
of a reactor since it directly faces the plasma. In recent years, after thorough
analysis that followed a strategy of cost reduction, the ITER Organization decided
to built a full-tunsgten divertor before the first nuclear campaigns. Therefore,
tungsten will be used not only as a plasma-facing material (PFM) but also
in structural applications. Tungsten, due to its the excellent thermo-physical
properties fulfils the requirements of a PFM, however, its use in structural
applications is compromised due to its inherent brittleness. One of the objectives of
this phD thesis is therefore, to find a material with improved brittleness behaviour.
The microstructural and mechanical characterisation of different
tunsgten-based materials was performed. However, this is a challenging task
because of the reduced laboratory-scale size of the specimens provided, their _ne
microstructure and their brittleness. Consequently, many techniques are required
to ensure an accurate measurement of all the mechanical and physical properties.
Some of the applied methods have been widely used such as nanoindentation
or three-point bending (TPB) tests. However, other methods were specifically
developed and implemented during this work such as the measurement of the
real fracture toughness of bulk-tunsgten alloys or the in situ fracture toughness
measurements of very thin tungsten foils. Bulk-tunsgten materials with different compositions (W-1% Y2O3, W-2% V-
0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 and W-4% Ti-1% La2O3)
were studied and compared with pure tungsten processed under the same
conditions. These alloys, produced by a powder metallurgical route of mechanical
alloying (MA) and hot isostatic pressing (HIP), were microstructural and
mechanically characterised from 77 to 1473 K in air and under high vacuum
conditions. Hardness, elastic modulus, flexural strength and fracture toughness
for all of the alloys were measured in addition to other physical and mechanical
properties. Finally, the fracture surfaces after the TPB tests were analysed to
correlate the micromechanisms of failure with the macroscopic behaviour. The
results reveal brittle mechanical behaviour in almost the entire temperature
range for the alloys and micromechanisms of failure with no improvement in the
ductile-brittle transition temperature (DBTT).
To continue the search of a tungsten material with lowered DBTT, a
preliminary study of pure tunsgten and 0.005 wt.% potassium (K)-doped tungsten
foils was also performed. These foils were industrially produced by sintering and
hot and cold rolling. After that, they were annealed from 1073 to 2673 K to analyse
the evolution of the microstructural and mechanical properties with increasing
annealing temperature. The results revealed the stabilisation of the tungsten
grains with increasing annealing temperature in the potassium-doped tungsten foil.
However, additional studies need to be performed to gain a better understanding
of the microstructure and mechanical properties of these materials such as fracture
toughness.
