SINTESIS PADUAN AIFeNi DEN CAN METODA PELEBURAN

(1)

ISSN 0854 - 5561 Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

SINTESIS PADUAN AIFeNi DEN CAN

METODA PELEBURAN

M.Husna AI Hasa, Yatno Dwi Agus Susanto

ABSTRAK

SINTESIS PADUAN AIFeNi DENGAN METODA PELEBURAN. Pengembangan bahan struktur kelongsong bahan bakar dilakukan seiring dengan pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi guna mengimbangi sifat kekerasan bahan bakar. Material yang memungkinkan digunakan sebagai alternatif kelongsong bahan bakar berdensitas tinggi , antara lain AI 6061, AIMg3Ni dan AIFeNi. Penelitian ini mengkaji penggunaan paduan AIFeNi sebagai kelongsong alternatif dengan melakukan eksperimen awal pembuatan paduano Proses pemaduan AIFeNi dilakukan dengan metoda peleburan menggunakan arc furnace

vakum. Karakterisasi sifat mekanik paduan dilakukan dengan pengujian kekerasan menggunakan metoda Vicker. Pengamatan mikrostruktur dilakukan dengan metalografik-optikal. Analisis fasa dilakukan berdasarkan topografi mikrostruktur dan diagram kesetimbangan fasa. Hasil pemaduan dengan konsentrasi unsur pemadu yang bervariasi diperoleh spesimen dalam bentuk lempengen berukuran sekitar 1,5 - 2 mm. Hasil pengujian sifat mekanik menunjukan sifat kekerasan paduan AIFeNi dengan kadar 0,5%, 1% dan 2% Ni masing-masing berkisar 39 HV, 45 HV dan 52 HV. Sifat kekerasan paduan AIFeNi menunjukkan peningkatan dengan meningkatnya unsur pemadu Ni dalam paduano Hasil pengamatan metalografik-optikal memperlihatkan mikrostruktur paduan mengalami perubahan seiring dengan meningkatnya kadar Ni dalam paduano Mikrostruktur paduan AIFeNi dengan kadar 0,5%Ni cenderung berbentuk granular. Mikrostruktur butir pada kadar 1% dan 2% berat Ni memperlihatkan struktur butir berbentuk dendrit seluruhnya.

PENDAHULUAN

Pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi guna memperoleh tingkat muat tinggi terus dilakukan, seperti bahan bakar silisida dan molybdenum. Peningkatan tingkat muat yang relatif tinggi mengakibatkan sifat kekerasan inti elemen bakar (fuel core) meningkat sehingga perbedaan kekerasannya dengan kelongsong menjadi relatif besar. Perbedaan kekerasan yang relatif besar ini memungkinkan terjadinya kegagalan dalam proses fabrikasi elemen bakar. Kondisi ini dapat diakibatkan oleh dog-boning dan meat yang menyebar melebar kearah sisi kelongsong sehingga ukuran lebar meat di dalam pelat kelongsong tidak sesuai dengan spesifikasi yang ditentukan. Kondisi ini dapat dihindari dengan mengurangi perbedaan sifat kekerasan antara inti elemen bakar dan kelongsong yang terlalu tinggi. Seiring dengan

pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi ini maka perlu diantisipasi sifat kekerasan kelongsong yang mampu mengimbangi sifat kekerasan bahan bakar. Guna mengantisipasi kondisi ini perlu dicari paduan baru sebagai alternatif pengganti kelongsong bahan bakar yang sekarang digunakan. Kelongsong bahan bakar yang berfungsi pula sebagai pengungkung gas hasil fisi umumnya dari bahan struktur paduan aluminium [1]. Beberapa paduan yang

memungkinkan digunakan untuk membungkus bahan bakar berdensitas tinggi dimasa mendatang, antara lain AI 6061, AIMg3Ni dan AIFeNi [2]. Pengkajian dan pengembangan

bahan struktur kelongsong dilakukan oleh berbagai pihak didunia . seiring dengan peningkatan pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi. Pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi dilakukan searah

(2)

HasH Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

dengan program RERTR yang beroerientasi kepada penggunaan uranium pengkayaan rendah [3.4]. Kondidi ini merupakan konsekuensi

suatu negara produksi dan pengguna bahan bakar yang harus mengikuti program konversi pemakaian uranium pengayaan tinggi ke pemakaian uranium pengayaan rendah. Perancis' telah mengembangkan bahan bakar berdensitas tingi dengan menggunakan bahan struktur kelongsong paduan AIFeNi dan beberapa negara eropa telah melakukan pengkajian penggunaan AIFeNi sebagai

cladding bahan bakar [5]. Berdasarkan kajian

yang telah dilakukan menunjukkan bahwa paduan AIFeNi memiliki sifat mekanik dan ketahanan korosi yang relatif lebih baik [5.6J.

Penelitian ini akan mengkaji lebih jauh tentang penggunaan paduan AIFeNi sebagai kelongsong alternatif pembungkus bahan bakar berdensitas tinggi dimasa mendatang. Pad a tahap awal ini akan dHakukan eksperimen pemaduan AIFeNi dengan metoda peleburan menggunakan arc furnace dan karakterisasi sifat paduannya.

Berdasakan diagram kesetimbangan fasa sistem ternary AI-Fe-Ni pad a gambar 1 memperlihatkan bahwa fasa-fasa yang terbentuk dalam diagram tersebut sangat dipengaruhi oleh komposisi paduan dan titik cairnya berbeda pada setiap perbedaan fasa seperti ditunjukkan pad a gambar 1a.

4

(a)

ISSN 0854 - 5561

AI

(b)

Gambar-1: Diagram fasa paduan AI-Fe-Ni : (a) Cair (liquidus) ; (b) Distribusi fasa dalam bentuk padaf]

TATA KERJA

Proses sintesis paduan AIFeNi dilakukan bervariasi berdasarkan persentase kadar berat unsur pemadu, yaitu(1 ,5%Fe, 0,5%Ni), (1,5%Fe, 1%Ni), dan (1,5 %Fe, 2%Ni) dengan teknik peleburan menggunakan tungku busur listrik. Proses kompaksi AIFeNi dilakukan secara mekanik dengan tekanan sekitar 300-350 KN. Penekanan ditingkatkan seiring dengan meningkatnya kadar komposisi paduano Peleburan AIFeNi dilakukan secara berulang hingga 4 kali pelelehan dan setiap kali peleburan ditahan sekitar 4-5 menit.

Ingot paduan AIFeNi hasil peleburan sebelum dikenai pengujian sifat mekanik dan uji metalografi terlebih dahulu permukaannya dibersihkan dan dihaluskan. Permukaan spesimen AIFeNi diratakan dengan penggerindaan dan dipoles secara bertahap menggunakan mesin poles. Spesime:n AIFeNi hasH poles kemudian permukaannya dietsa menggunakan larutan etsa tertentu untuk memunculkan mikrostruktur fasa. Pengetsaan dilakukan dengan mencelupkan spesimen ke dalam larutan etsa dengan memperhatikan ketepatan waktu etsa.

Kontribusi unsur pemadu Fe dan Ni dalam paduan AIFeNi dari (1,5%Fe, 0,5%Ni), (1 ,5%F~, 1%Ni), dan (1,5%Fe,2%Ni) diamati efeknya terhadap sifat mekanik, mikrostruktur dan struktur fasanya. Pengamatan sifat mekanik dilakukan dengan uji kekerasan menggunakan metoda Vicker. Analisis mikrostruktur paduan AIFeNi diamati dengan menggunakan

(3)

I SSN 0854 - 5561 HasH Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Gambar-2. Variasi kekerasan paduan AIFeNi dengan kadar Fe tetap terhadap kandungan Ni

70 ~- - - , - - - -~I - -- -- - - ,- .-- -- - r - --- -, I I __ -1 I . L~ __ L I I I I I I ~'" ----T-~---I---·· -- ---, I I I I ______ ' ~ . __ I L ~ I I I I I ! I I I - - - 1 -"I.- - .-. -1- -! -- - ---1 I I 1 I _____ .1 I 1 __ • L ...J I I I

perturnbuhan fasa kedua yang semakin tinggi seiring dengan meningkatnya prosentase kadar Ni. Peningkatan fasa kedua yang semakin tinggi akan berdampak terhadap peningkatan kekerasan karena kehadiran fasa kedua tersebut berpotensi merintangi pergerakan dislokasi. Pembentukan fasa kedua ini ditandai dengan perubahan struktur butir yang sebagian besar telah mengarah menjadi bentuk struktur butir dendrit, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 b dan 3 c. Struktur butir fasa mengalami perubahan dari bentuk granular pada gambar 3a menjadi bentuk butir dendrit seperti ditunjukkan pada Gambar 3b dan 3c karena sebagian fasa a-AI bertransformasi menjadi fasa K. Fasa K

berupa senyawa NiAI3 yang berselsatuan orthorombik bersifat relatif lebih keras dari fasa a-AI. Sementara itu, struktur butir dendrit pad a 2% Ni relatif lebih kecil daripada butir dendrit pada 1 % Ni, seperti ditunjukkan pad a Gambar 3c. Kondisi struktur butir yang demikian ini memungkinkan memberi dampak terhadap peningkatan penguatan logam. Hal ini karena struktur butir yang lebih kecil relatif lebih banyak butir dendrit dan dengan demikian akan memperbanyak batas butir. Batas butir yang semakin banyak akan semakin memperbesar peranannya terhadap penghambatan pergerakan dislokasi karena batas butir merupakan rintangan terhadap gerakan dislokasi [7].

Q5 1 1.5 2

Kadar N Pada Paduan AIFeNi, %

2.5

Z

40

530 _c

~ 20 ~ I , __ ~ 10

t ----

T - -(j) I

~

0

o 'E60 E 2:50

Gambar 1 memperlihatkan pula bahwa pad a konsentrasi di atas 0,5% Ni tampak terjadi kenaikan kekerasan dengan semakin meningkatnya kandungan Ni, yaitu menjadi 45 HV pad a 1% Ni dan 52 HV pada 2% Ni. Kondisi ini dimungkinkan karena adanya HASIL DAN BAHASAN

pengamatan sifat mekanik terhadap paduan AIFeNi pada berbagai konsentrasi paduan dengan metoda Vicker diperlihatkan pad a Gambar 2. Pengamatan mikrostruktur paduan AIFeNi secara mtalografi-optik ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar-2 memperlihatkan vanasl kekerasan ingot paduan AIFeNi pada berbagai konsentrasi Ni hasil pemaduan dengan teknik peleburan menggunakan arc furnace. Dari Gambar 2 tampak bahwa paduan AIFeNi mencapai kekerasan 52 HV dengan konsentrasi (1,5%Fe, 2%Ni). Hal ini terjadi karena paduan AIFeNi mengalami penguatan larut-padat hingga mencapai sekitar 0,05% kadar Fe dan Ni [7]ke dalam struktur fasa a-AI. Penguatan larut-padat pada struktur fasa a-AI terjadi secara substitusi dengan menempati kisi sel-satuan FCC. Proses larut-padat atom Fe dan Ni ke dalam kisi struktur fasa a-AI cenderung mengakibatkan terjadinya distorsi parameter kisi yang berakibat menimbulkan medan tegangan disekitar atom yang larut. Kondisi seperti ini semakin berpotensi menghambat gerakan dislokasi yang mengarah kepada penguatan bahan. Kekerasan paduan AIFeNi dengan 2%Ni relatif tinggi karena pada konsentrasi ini dimungkinkan terbentuknya fasa kedua hasil reaksi antara Ni dengan AI membentuk senyawa fasa NiAh[7,8J• Senyawa fasa yang yang terbentuk dalam paduan ini berkontribusi pula merintangi gerakan dislokasi, yang berdampak terhadap peningkatan kekerasan bahan.

mikroskop-optik. Pembentukan fasa paduan dengan kadar (1,5%Fe, 0,5%Ni), (1,5%Fe, 1%Ni), dan, (15%Fe, 2%Ni) di analisis melalui topografi mikrostruktur dan diagram kesetimbangan fasa.

(4)

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Mikrostruktur paduan AIFeNi dengan kadar (1,5%Fe, 0,5 %Ni), (1,5%Fe, 1%Ni) dan (1,5 %Fe, 2%Ni) diperlihatkan pada Gambar 3. Gambar 3a memperlihatkan struktur butir paduan AIFeNi yang memiliki fasa a-AI relatif besar dan banyak berbentuk equaksial atau granular, sedangkan fasa K yang berbentuk

dendrit relatif kecil dan sedikit dan tampak mulai terbentuk. Pembentukan fasa K diawali pada batas butir karena energi pada daerah batas butir relatif tinggi daripada di daerah butir, sehingga menyebabkan daerah batas butir menjadi lebih reaktif daripada di butir. Energi pad a batas butir relatif tinggi karena batas butir adalah daerah yang sangat tidak stabil dan batas butir merupakan daerah pertemuan kristal-kristal atom dengan orientasi yang berbeda atau acak. Fasa yang terbentuk pada paduan AIFeNi merupakan rejeksi dari larutan padat aluminium bila kadar Fe atau Ni yang terkandung dalam paduan tersebut melebihi kemampuan larut-padat fasa a-AI.

Mikrostruktur paduan AIFeNi dengan kadar 1,5%Fe,1 %Ni yang ditunjukkan pada Gambar 3 b memperlihatkan pertumbuhan struktur butir fasa K cenderung semakin meningkat. Gambar 3 b memperlihatkan kecenderungan pe:ubahan struktur butir dari bentuk granular ke bentuk dendrit yang memanjang. Perubahan fasa dalam bentuk struktur butir dendrit ini diperkirakan terjadi seluruhnya, seperti diperlihatkan pada Gambar 3b. Peningkatan pembentukan struktur butir denrit ini terjadi karena jumlah kadar unsur Ni dalam paduan semakin meningkat. Sebagai akibatnya unsur Ni yang bereaksi dengan AI membentuk senyawa NiAI3 menjadi semakin bertambah. Kondisi ini ditandai dengan pertumbuhan struktur butir dendrit fasa K yang semakin besar, seperti diperlihatkan pada Gambar 3 b.

Mikrostruktur paduan AIFeNi dengan kadar 1,5%Fe,2%Ni yang ditunjukkan pada Gambar 3c memperlihatkan bahwa struktur butir granular dan dendrit relatif berkurang karena bertransformasi membentuk struktur butir pipih memanjang. Struktur butir fasa K semakin meningkat seperti tampak secara jelas dalam

ISSN 0854 - 5561

bentuk struktur butir dendrit pipih memanjang pada Gambar 3 c. Struktur butir dendrit pad a Gambar 3c relatif lebih kecil daripada struktur butir dendrit yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Penghalusan butir terse but dimungkinkan karena dipacu oleh kadar Ni yang semakin tinggi yang berdampak terhadap peningkatan energi dalam paduano Energi dalam paduan yang tinggi mendorong percepatan pengintian butir, sehingga butir dendrit yang terbentuk semakin banyak dan relatif kecil. Struktur butir fasa K

dalam bentuk dendrit yang memanjang tersebut relatif lebih dominan pada mikrostruktur 1,5%Fe,2%Ni seperti tampak pada Gambar 3c.

20

11m

Gambar-3.a.: Struktur mikro paduan A11,5%Fe 0,5%Ni

100 f.lm

Gambar-3.b.:Struktur mikro paduan A11,5%Fe, 1%Ni

(5)

I SSN 0854 - 5561

100llm

Gambar 3.c.:Struktur mikro paduan A11,5%Fe, 2%Ni

KESIMPULAN

Kekerasan paduan AIFeNi dengan kadar (1,5

%~:e,

2%Ni) mencapai sekitar 52 HV relatif tingg: dibandingkan dengan yang kadar (1,5%Fe, 0,5 %Ni), dan (1,5%Fe, 1%Ni). Kekerasan paduan AIFeNi dengan kadar (1,5%Fe, O,5%Ni), dan (1,5%Fe, 1%Ni), yaitu masing-masing berkisar 39 HV dan 45 HV. Kekerasan paduan AIFeNi terjadi peningkatan dengan semakin meningkatnya kadar paduano Peningkatan kekerasan ini sekaligus menunjukkan adanya kaitan terjadinya perubahan mikrostruktur akibat semakin tinggi kadar paduano Mikrostruktur paduan AIFeNi dengan kadar (1,5%Fe, O,5%Ni) relatif didominasi oleh struktur butir berbentuk granular dan sedikit butir dendrit yang mu!ai tumbuh pada batas butir. Mikrostruktur AIFeNi dengan (1,5%Fe, 1%Ni ) berbentuk butir dendrit yang cenderung membesar. Mikrostruktur AIFeNi

Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

dengan (1,5 %Fe, 2%Ni) relatif didominasi oleh struktur butir berbentuk dendrit dan cenderung semakin mengecil. Mikrostruktur paduan AIFeNi hasil sintesa cenderung berbentuk dendrit yang diduga merupakan struktur fasa a,+K.

DAFTAR PUSTAKA

1. BENJAMIN M.MA, Nuclear Reactor Materials and Applications, VNR Company Inc, USA, 1983.

2. FANJAS, Y., Status of LEU Fuels At CERCA, 1991.

3. TRAVELLI,

A,

Status and Progress of The RERTR Program, Proceedings, The 19 th International Meeting on Reduced Enrichment for Reseach and Test Reactors, Seoul, Korea, page 4-8, 1996.

4. DAVID, G.H., United States Policy Intiatives in Promoting The RERTR Program, Proceedings, The 19 th International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test reactors, Seoul, Korea, Page 14, 1996. 5. BALLAGNY,

A,

Situation of technological

Irradiation Reactors A Progress Report On The Jules Horowitz Reactor Project.

6. BALLAGNY,

A,

Main Technical of The Jules Horowitz Reactor Project to Achieve High Flux Performances and High Safety Level. 7. MONDOLFO, L.F, Aluminium Alloys,

Structure and Properties, London, 1976 8. PETZOW, G., EFFENBERG, G., Ternary

Alloy AIFeNi, Vo1.15, Germany: ASM, International, 1992.

9. HAKKA, Manual

Dendrite Arm Spacing,

(6)

HasH Hasil Penelitian EBN Tahun 2005

LAMPI RAN

Tabel-1: Dimensi spesimen hasil proses kompaksi dan peleburan

ISSN 0854 - 5561

I

J

~+-'-

1m

n;

-1

No. Spesimen Berat,

Hasil KompaksiHasi lebur Komposisi paduan AI

gr Tebal, mmDiameter, mmDiameter, mm 1 1,5%Fe,O,5%Ni2 3015 2 2 1,5%Fe, 1 %Ni2 3015 2 3 1,5%Fe, 2 %Ni2 3015 2

Tabel-2: Butir dendrit dan kekerasan spesimen paduan AIFeNi hasH peleburan No. Komposisi Paduan AluminiumKekerasan,HVUkuran butir dendrit, !-1mN/mm"

1 1,5%Fe,O,5%Ni38,3 5,13 2 1,5%Fe, 1 %Ni45 68,8 3 1,5%Fe, 2 %Ni52,1 51,56

Perhitungan Dendrite Arm Spacing (DAS)

Perhitungan struktur butir dendrit pada mikrostruktur hasil peleburan dengan mengunakan metode Dendrite Arm Spacing Secondary(DASS)19J• Besar butir dendrit dihitung dengan persamaan berikut.

(

I

.

d=

_1_+_l2_+~

nl -

1

n2 -

1

Dimana: d = Ukuran dendrit (Jl m)

I

= Panjang garis (mm)

n = Jumlah batas dendrit yang terkena garis m = Jumlah garis yang dibuat

Perhitungan Ukuran Dendrite

1. Gambar 3a: Paduan AI1 ,5%Fe, 0,5%Ni

11= 18,95mm, n1= 8 12=12,36 mm, n2= 6 13=12,56 mm, n3= 6 m=

3

d=

?

d=C8,95

8-1

+

12,36

6-1

+

12,56)13

6-1

d=C8,95

755 +

12,36

+

12,56)13

d =(2,707

+

2,472

+

2,512)13

d

= 7,691

3

d = 2,5636 mm

Pembesaran pada mikroskop optik sebesar 500x jadi:

d

= 2,5636

500

d = 0,00513 mm

d=5,13,wn

(7)

I SSN 0854 - 5561

2. Gambar 3b: paduan AI1 ,5%Fe, 1%Ni I, : 20,72 mm n,: 4 12: 20,35 mm n2: 5 13: 25,93 mm n3: 4

m:

3 d:

?

d:(20,72

4-1

+

20,35

5-1

+

25,93)13

4-1

d{20,72

3 +

20,35

4 +

25,93)13

3 d:(6,906

+

5,0875

+

8,643)/3

d:20,637

3 d:6,88mm

Pembesaran gambar mikrostruktur 100X, jadi:

d: 6,88mm

100 d:0,0688

mm

d :

68,8

Jml

3. Gambar 3c: Paduan AI1,5%Fe, 2 %Ni I, : 14,09 mm n,: 4 12: 14,76 mm n2 : 4 13:17,56mm n3:4