Plasma thermal performance of multilayer PVD coatings of tungsten and molybdenum on graphite substrate was studied for the application of ITER first wall tiles. The coatings with a total thickness of 5 μm and different numbers and ratio of W/Mo layer were prepared and plasma thermal loads of 1.3 to 4.1 MW/m2 were loaded to each type of coatings. Scratch test was then conducted to quantify the changes in adhesion. The microstructure analysis and scratch test results showed that the thermal performance of the coatings varied depending on the degree of heat loads and coating structure. Meanwhile, the benefit of multilayer coating over monolayer was evident in terms of plasma thermal resistance and adhesion. ANSYS 3D thermal-structural coupled analysis supported the empirical observation in which the role of the thickness dependency of W/Mo ratio was found.
ITER 플라즈마 대면재 적용을 위한 그라파이트 기저 다층구조 텅스텐/몰리브덴 코팅의 열 성능평가를 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다:
1. 미세구조변화 특성평가에서 두층구조는 (double-layer) 모든 열 부하에도 전체적인 코팅구조를 유지한 반면, 단층구조코팅이 (single-layer) 가장 취약한 열 저항특성을 보였다.
2. 스크레치 실험결과 전반적으로 다층구조가 단층구조보다 높은 접합특성을 보였으며 두층구조 (Type II)가 모든 열 하중 조건에서 항상 높은 Lc2 값을 보인 반면, 높은 열 하중 (2.6 MW/m2 이상) 에서는 단층구조 (Type I)와 세층구조 (Type III)가 유사한 Lc2 값을 보였다.
3. ANSYS 시뮬레이션 결과 코팅층 구조에 따른 상이한 열변형 (thermal strain) 값을 보였으며, 이는 코팅구조에 따른 작용하는 응력 형태 (압축 및 인장응력) 변이를 야기한 것으로 사료된다.
4. 이를 종합하여 볼 때 다층구조 코팅의 열 저항성은 단층구조코팅에 비해 대체로 뛰어났지만, 코팅구조조정 (W/Mo 두께 비율)이 개발된 코팅재의 열 저항성에 미치는 영향이 지대하다고 판단된다.
개발된 코팅의 실질적인 ITER 플라즈마 대면재 적용을 위해 앞으로 본 연구에 이어 텅스텐과 몰리브덴 비율 최적화 공정개발과 장시간 (400 초) 및 열주기 (1000 사이클) 피로실험을 통해 좀 더 ITER 실제 운전환경과 비슷한 환경에서 실험 및 분석이 필요한 것으로 사료된다. 또한, ANSYS 시뮬레이션 분석의 경계조건설정 및 코팅재료 물성평가가 좀 더 현실적인 분석을 위해 수행 되어야 할 것으로 판단된다.
