The Role of Laser Texturing in Improving the Adhesion of PlasmaSprayed Tungsten Coatings

Abstract

Plasma sprayed W-based coatings have thepotential application as joining interlayers for the plasma-facing components of future fusion reactors. Particularly inthe form of tungsten-steel functionally graded materials(FGMs), they would reduce the stress concentrationbetween the W-based plasma-facing armor and steel-basedconstruction. For mechanical integrity, good adhesion isessential. For this, conventional grit blasting treatment ofthe substrate may not be sufficient. Therefore, alternativetreatments capable of reaching significantly higher rough-ness without damaging the substrate are sought. In thisstudy, the effects of laser texturing on the adhesion ofplasma sprayed W and W-steel FGMs on W and steelsubstrates are investigated. A variety of surface profileswere achieved by controlled laser ablation in several typesof patterns. Their geometric features were systematicallyvaried and measured, and the extent of their filling by thecoating material was evaluated. On the most promisingpatterns, coating adhesion tests were performed in shearloading mode and the best performing patterns wereidentified. Significant improvement over grit-blasted sur-face was obtained on patterned surfaces with a higheffective contact area, promoting mechanical interlocking.On steel substrates, generally higher adhesion wasobserved, surpassing already the coating cohesive strength; this is attributed to a combination of mechanical inter-locking and metallurgical bonding.

Plazmově stříkané povlaky na bázi W mají potenciální použití jako spojovací mezivrstvy pro komponenty budoucích fúzních reaktorů v kontaktu s plazmatem. Zejména ve formě funkčně odstupňovaných materiálů (FGM) wolfram-ocel by snížily koncentraci napětí mezi štítem ve styku s plazmatem na bázi W a konstrukcí na bázi oceli. Pro mechanickou integritu je dobrá přilnavost nezbytná. K tomu nemusí být dostatečné běžné otryskávání substrátu. Proto se hledají alternativní úpravy schopné dosáhnout výrazně vyšší drsnosti bez poškození substrátu. V této studii jsou zkoumány účinky laserového texturování na adhezi plazmově stříkaných W a FGM W-ocel na W a oceli. Řadu povrchových profilů bylo dosaženo řízenou laserovou ablací v několika typech vzorů. Jejich geometrické vlastnosti byly systematicky měněny a měřeny a byl hodnocen rozsah jejich plnění povlakovým materiálem. Na nejslibnějších texturách byly provedeny testy přilnavosti povlaku v režimu střihového zatížení a byly identifikovány nejlépe vyhovující struktury. Významné zlepšení oproti povrchu s otryskaným povrchem bylo dosaženo na strukturovaných površích s vysoce účinnou kontaktní plochou, která podporuje mechanické zaseknutí. Na ocelových substrátech byla obecně pozorována vyšší adheze, která již překonala soudržnost povlaku; toto je připisováno kombinaci mechanického vzájemného zaseknutí a metalurgického spojení.