Production and characterization of medium entropy alloy thin films for nuclear fusion applications

In future nuclear fusion power plants, there will be harsh environments that require the development of new materials capable of withstanding these challenging conditions. In particular, there will be components, such as the divertor, which will be required to sustain high temperatures, heat fluxes, neutrons and plasma fluxes and, in some cases, even liquid metal corrosion. To withstand these conditions, tungsten was selected as a candidate material because of its properties, such as high melting temperature and low sputtering yield. However, tungsten also has its drawbacks. For example, it has a brittle behaviour at low temperatures. In this thesis work, tungsten-based protective coatings for liquid Sn corrosion ware studied for a particular design of divertor, called liquid metal divertor (LMD). To improve the properties of tungsten, a class of materials, called high entropy alloys (HEAs) is studied in this thesis work. HEAs are a relatively new class of materials made by multiple principal components. They have been shown to have great properties, and they allow for a great design flexibility. To develop a W-based protective coating a material selection, based on precise considerations, is carried out among the available materials present at NanoLab. These coatings are produced by using different magnetron sputtering techniques. The objective of this thesis work is to study both the effects of composition and of the operating regime of the depositions on morphological and structural properties of these thin films. Concerning the deposition regimes, direct cur rent magnetron sputtering (dcMS), high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) and bipolar HiPIMS are investigated. Results showed that both the composition and the deposition regime of thin films play a crucial role in determining the morphological and structural properties of tungsten based thin films.

Nelle future centrali a fusione nucleare, ci saranno condizioni estreme che richiederanno lo sviluppo di nuovi materiali in gradi di sopportare queste condizioni difficili. In par ticolare, ci saranno dei componenti, come il divertore, che necessiteranno di resistere ad alte temperature, alti flussi termici, flussi neutronici e di plasmi e, in alcuni casi, anche corrosione da metalli liquidi. Per resistere a queste condizioni, il tungsteno è stato scelto come materiale di riferimento grazie alle sue proprietà, tra le quali la sua alta temper atura di fusione e bassa resa di sputtering. Tuttavia, il tungsteno ha anche degli svantaggi. Per esempio, a basse temperature è un materiale fragile. In questo lavoro di tesi, sono studiati rivestimenti a base di tungsteno per protezione da corrosione da stagno liquido per un particolare design di divertore, chiamato divertore a metalli liquidi (liquid metal divertor, LMD, in inglese). Per migliorare le proprietà del tungsteno, una classe di mate riali, chiamata leghe ad alta entropia (high entropy alloys, HEA, in inglese) è studiata in questo lavoro di tesi. Le leghe ad alta entropia sono una classe di materiali, relativamente nuova, formate da molteplici elementi principali. Questi materiali hanno dimostrato avere ottime proprietà e permettono di avere grande flessibilità di design. Per sviluppare un rivestimento protettivo a base di tungsteno, una selezione di materiali, basata su pre cise considerazioni, viene fatta tra quelli presenti al NanoLab. Questi rivestimenti sono prodotti usando diverse tecniche di magnetron sputtering. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è studiare gli effetti della composizione e del regime di deposizione sulle proprietà morfologiche e strutturali di questi film sottili. Riguardo ai regimi di deposizione sono investigati direct cirrent magnetron sputtering (dcMS), high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) e bipolar HiPIMS. I risultati mostrano che sia la composizione sia il regime di deposizione giocano un ruolo fondamentale nel determinare le proprietà mor fologiche e strutturali di film sottili a base di tungsteno.