TEKSTUR KELONGSONG ZIRCALOY -4 HASIL F ABRIKASI
Sugondo
Pusat Pengembangan
Teknologi Bahan Bakar Nuklir Dan Daur Ulang-BATAN
ABSTRAK
TEKSTUR KELONGSONG ZIRCALOI.4 HASIL FABRIKASI. Zirkaloi-4 digunakan sebagai kelongsong elemen bakar reaktor air bertekanan (pressurized water reactorsIPHWR) dan reaktor air berat bertekanan (pressurized heavy water reactors/PHWR). Makalah akan membahas pengendalian tekstur untuk meningkatkan kemampuan bentuk, kekuatan dan ketahanan hidridasi tinggi. Fabrikasi Tabung Zircaloy-4 melalui penempaan pertama pada ingot kemudian dilakukan 13 quenching atau aniling dan selanjutnya dilakukan penempaan kedua. Setelah penempaan kedua dilakukan ekstrusi dan diikuti perlakuan panas. Langkah selanjutnya dilakukan pelobangan tabung (tabung-ho/low). Setelah langkah ini, dilakukan Roking dan perlakuan panas. Langkah terakhir pembentukan tabung kelongsong. Didapat empat jenis sampel berdasarkan jalur fabrikasi. Dari analisis data diperoleh hasil sebagai berikut: Jalur fabrikasi zircaloy-4 menentukan tekstur produk. Koefisien tekstur terbesar dicapai pada jalur rektristalisasi (aniling). rasio kontraksi regangan (R ), korosi hidrid, dan kekuatan tarik berbanding terbalik dengan koefisien tekstur. Terhadap sifat bahan tekstur basallebih baik jika dibandingkan dengan tekstur basal radial.
ABSTRACT
TEXTURE OF FABRICATED ZIRKALOY.4 CLADDING. Zirkaloy-4 is used as cladding of fuel elements for pressurized water reactorstPWR and pressurized heavy water reactors/PHWR. In this paper is discused on texture contolling so that the materials have high formability, strenth and corrosion. Fabrication of zircaloy-4 tabung by mean of first forging of ingot than it is treated by 13 quenching or anealing and furthermore it is be second forging. After the second forging, it is extruded and followed by aniling. In the next step is done the tabung-hollow. After this step are rocking and heat treatment of recovery. Based on fabrication, There are four different sampels. From the analysing data was found as follow: The fabrication route determines the texture of zircaloy-4 products. The texture coeffisient maximum is resulted from the recrystallization route. The contraction ratio (R ), hiride corrosien, and strength are in opposite with the texture coeffisient. The bassal texture has effects the positive effect on material properties
PENDAHULUAN
yaitu korosi hidrida clan anisotropi fisis yaitu interaksi netronik. Kekuatan tekan maupun tarik sejajar sumbu c atau tegak lurns bidang basal lebih besar jika dibandingkan dengan kekuatan tegak lurus sumbu aksis atau sejajar bidang basal. Korosi hidridasi yaitu terbentuknya plate/ate hidrida, akibat interaksi hidrogen dengan zirkonium yang mengarah pada bidang basal. Reaksi netronik mengakibatkan perpindahan atom dalam susunan kristal yang berarti dislokasi clan selanjutnya deformasi. Proses deformasi tergatung pada sistem deformasi. Sistem piramida, lebih mudah mengalami deformasi jika dibandingkan dengan sistem prismatik clan yang paling suI it ada:lah sistem basal.
Tekstur zirkaloi pada umumnya dipengaruhi oleh proses fabrikasi. Sebagai parameternya ialah rasio reduksi tebal (RW) terhadap reduksi diameter (RD) atau rasio deformasi radial (Er) terhadap deformasi tangensial (ET)' Untuk RW/RD > 1 atau ER lET> 1 dihasilkan Zirkaloi-4 digunakan sebagai kelongsong
elemen bakar reaktor air bertekanan (pressurized water reactors/PWR) clan reaktor air berat bertekanan (pressurized heavy water reactors/PHWR)[I]. Kelongsong zircaloy-4 berbentuk tabling mempunyai diameter 9,1 mm clan tebal 0,42 mm untuk PWR clan untuk reaktor PHWR mempunyai diameter 13,1 mm clan tebal 0,42 rom. Dalam fabrikasi zircaloy-4 melibatkan deformasi dingin, seperti penempaan, ekstrusi, clan roking[2]. Proses yang lain ialah perlakuan panas yaitu aniling (annealing). Selama proses deformasi dingin terjadi deformasi plastis yang berarti terjadi rotasi kristal. Sebagai akibatnya terjadi perubahan orientasi kristal. Probabilitas perubahan orientasi kristal ke arab tertentu disebut tekstur. Pada saat dikenai pemanasan terjadi rikristalisasi, yang dapat memberikan tekstur barn.
Tekstur mempengaruhi sifat anisotropi mekanik, seperti kekuatan,fracture, clan creep. Anisotropi kimiawi
117
~I
2;; J~ 2000
T~~~H~F~
~
tekstur bidang basal (0001) paralel dengan arab radial. RW/RD = I atau &R lET = I bidang basal terarah pada tangensial dan radial. RW/RD < I bidang basal mengarab pada tangensial.
Unjuk kerja kelongsong elemen bakar dibatasi oleh, diantaranya, korosi hidrid dan retak korosi tegangan (Stress Corrosion Cracking/SCC). Korosi hidrid tergantung pada bidang basal dan SCC tergantung pada
sistem deformasi. Permasalahannya ialah mengidentifikasi tekstur yang terbentuk oleh suatu proses fabrikasi dan bagaimana memilih proses sehingga tekstur yang terbentuk dapat mengurangi terbentuknya hidrid dan menghindari retak akibat SCC. Dalam paper ini akan
dibahas pengendalian tekstur sehingga bahan mempunyai kemampuan bentuk, kekuatan dan ketahanan hidridasi tinggi. 1I.'\'m I
@~
02) AD~.
t;!!-Vm
100~'TD
~
~TD
O'l~O1TEOR!
E E~
~
"'/~""\~"""
I
07251 ~ 07001Gambar 1. Ilustrasi analisis tekstur
Rekristalisasi terjadi jika terbentuk inti butir
baru dan tumbuh membentuk butir yang lebih besar.
Pertumbuhan butir mengarah pada arab tertentu.
Tergantung
pada kondisi clan komposisi bahan[5].
Proses fabrikasi tabung zircaloy-4 melibatkan
proses deformasi dingin clan perlakuan panas. Dengan
demikian mengakibatkan
kemungkinan rotasi kristal dan
pembentukan
kristal baru, yang berarti penataan
kristal
atau tekstur yang berbeda dengan bahan sebelum
fabrikasi. Dalam paper ini akan dibahas masalah tekstur
deformasi tekstur rekristalisasi korelasi tekstur dengan
hidridasi dan SCC.
Satuan Kristal
Satuan kristal heksagonal mempunyai konstanta kristal sumbu datal (a) dan sumbu tegak (c). Pada kristal heksagonal digunakan rasio (cia) sebagai konstanta kristal. Bidang dan arab kisi kristal ditentukan oleh indeks Miller. Dalam sistem kubik dikenal {hkl} untuk bidang kristal dan (uvw) untuk arab kristal. Dalam sistem heksagonal dipakai rotasi {h k i I} dan (uvpw) dengan rumusan h + k = -i dan U + v = -po Dalam sistem heksagonal dikenal tiga jenis bidang kristal yaitu bidang basal (bidang segi enam), bidang prisma (bidang segi empat) dan bidang piramid (bidang segi tiga)[3].
Tekstur adalah kecendrungan susunan kristal dalam baban kristal. Tekstur di karakterisasi oleh bidang dan arab kisi kristal. Pemaparan tekstur, salah satunya dengan proyeksi kutup (pole figure). Proyeksi yang dimaksud adalah normal bidang kristal. Arah proyeksi mengacu pada arab suatu balok yaitu arab normal (ND), arab melintang (ill), daD arab membujur (RD). Untuk tabung mengacu pada bentuk silinder yaitu arab aksial (AD) arab melingkar/tangensial (TD), daD arab radial-tegak kurus aksial (RD), Gambar-1.
Deformasi terjadi akibat rotasi kristal yang mengakibatkan pergeseran bidang kisi kristal. Ada dua mode operasi deformasi yaitu secara pergeseran (slip) dan pembelahan (Twin). Pada sistem heksagonal deformasi ditentukan oleh rasio cia dan energi ikat atom(4). Untuk cia < ..,13 terjadi pergeseran pada sistem (0001) [2 110] yaitu pada logam Cd daD Zn. Twin terjadi pada bidang piramid untuk logam Zr. Besar kecilnya energi ikat atom mempengaruhi mudah atau sulitnya terjadi deformasi. Energi ikat atom Zr pada bidang prisma 56 erg/cm2 dan pada bidang basal 250 -300 erg/cm2. Dengan demikian bidang prisma mudah mengalami pergeseran jika dibandingkan dengan bidang basal. Titanium mempunyai energi ikat atom 145 erg/cm2 pada bidang prisma dan 300 ergicm2 pada bidang basal. Dengan demikian maka logam zirkonium lebih mudah dideformasi dari pada titamin.
Deformasi
Defonnasi dingin pada fabrikasi tabW1g
zircaloy-4 terjadi saat penempaan
dan ekstrusi. Proses
ini mengakibatkan sistem slip dan twin beroperasi.
Sudah dijelaskan di atas bahwa slip terjadi pada arab
(2110) dengan bidang basal {0001}, prisma {OlIO} dan
piramid {II 0 1 } .Berdasarkan energi ikat atom, bidang
prisma mempW1yai
energi lebih rendah (13 erg/cm2)
dari
pada bidang basal (250 -300 erg/cm2). Berdasarkan
energi ikat tersebut maka bidang prisma lebih mudah
mengalami
pergeseran/rotasi.
Sistem twin yang beroperasi tergantung pada
mode tegangan. Sistem twin {1012} <1011> dan {1121}
<1126> beroperasi pada mode tegangan penarikan
(tension). Sistem twin {1122} <1123> beroperasi
pada
mode tegangan penekanan
(compression)[6].
Pergeseran
kisi kritis ditentukan oleh tegangan
iris kristis (Critical resolved shear stress). Tegangan
iris kritis dirumuskan
sebagai
berikut [7]:
~
zg J-.- ZOOO
adalah intensitas pada sudut Bragg tertentu. Penentuan
tekstur secara relatif tersebut diformulasikan sebagai
berikut[9] :
F
l' = -.cos f/J cos).,
A
.u = cos f/J cos ).,
Dengan, 't adalah tegangan
iris kritis (ergicm1, F adalah
clara terpasang
(erg), A adalah tampang lintang (cm1, cjI
adalah sudut antara normal bidang slip dengan arab gaya
eksternaI, A adalah sudut antara arab slip dengan gaya
eksternaI,
~ adalah
faktor schmid.
Di mana, TC(hkl) adalah koefisien tekstur, ~hkl) adalah intensitas puncak ( h k 1), Io(hkl) ada1ah intensitas random.
HASIL DAN PEMBAHASAN
METODA
Bahan
Tekstur Da/am TabungPada saat reduksi tabung untuk kelongsong terjadi proses deforrnasi. Ada tiga karakteristik reduksi pada pembuatan tabung. Reduksi tersebut adalah reduksi tampang lintang (RA), reduksi diamter (RD), dan rduksi ketebalan (R W). Deforrnasi mengakibatkan perubahan ketebalan dinding daD diameter. Deforrnasi plastis yang utama disebabkan oleh gaya kompresi. Rasio ketebalan terhadap diameter selarna proses reduksi menentukan jenis tekstur. Tiga kelompok karakteristik rasio ketebalan terhadap diameter adalah R W /RD > 1, R W /RD = 1, daD R W /RD < 1. Pengaruh rasio reduksi terhadap tekstur daD anisotropi regangan dituangkan dalam Gambar-2[4] Reduksi dinding lebih besar dari pada diameter (RW/RD > 1 ) terjadi kompresi ke arab radial dan kompresi ke arab tangensial kecil. Karena bidang basal menata diri ke arab gaya kompresi maka tekstur basal ke arab radial. Pada reduksi dinding dan diameter sama besar maka gaya kompresi beroperasi ke arab tangensial dan radial maka tekstur basal tersebar ke arab radial dan tangensial. Tekstur ini juga disebut tekstur serat basal. Pada reduksi dinding lebih kecil dan reduksi diameter lebih besar (RW/RD <1) maka gaya kompresi ke arab tangensial dan tekstur yang terbentuk adalah basal ke arab tangensial.
Tabung Zircaloy-4[8] dengan komposisi sebagai
berikut : Zr 1,20-1,7%Sn
O,12-0,18%Fe
O,O5-0,15%Cr
O,OO7%Ni
Fabrikasi Tabung Zircaloy-4
Dilakukan penempaan pertama pada ingot
kemudian dilakukan 13 quenching atau aniling dan
selanjutnya dilakukan penempaan kedua. Setelah
penempaan kedua dilakukan ekstrusi dan diikuti
perlakuan panas. Langkah selanjutnya dilakukan
pelubangan tabung (tube-hollow). Setelah langkah ini,
dilakukan Rocking dan perlakuan panas. Langkah
terakhir pembentukan tabung kelongsong. Diskripsi
sampel tercantum
pada tabel-l.
Penentuan
Tekstur
Tekstur ditentukan
dengan teknik difraksi
sinar-X. Teknik ini berdasarkan
difraksi sinar-X kisi kristal.
Difraksi tersebut berdasarkan hukum Bragg, bahwa
panjang gelombang sinar-X (A) sebanding
dengan jarak
antar kisi (d) dan sudut difraksi (0). (nA = d sin 0, n
adalah suatu order). Intensitas tekstur ditentukan
berdasarkan
intensitas relatif antara sarnpel yang diukur
terhadap sarnpel random. lntensitas yang dimaksud
Tabel1. rikasi tabun
KODE DEFORMASI, IL D ,
op % op %
1350
REKA VER KETERANGAN
I Jam I op
Reduksi + tarik Reduksi + tarik
Reduksi
Tabel 2. Tekstur. rasio r an an, korosi. dan kekuatan tarik tabun zirca
KODE. I (0002h/(0002)R R KOROS!. G/cm"
I 0,94
lov-4
108,1
2,07
0,84
22,2
80,3
UTS= kekuatan tarik mak;i;~m, R = rasio kontraksi re9~ngan ( reduksi diameterlt~ngensial)
119
T~~~H~F~
~
ke arab radial, untuk tekstur basal serat distribusi
regangan random dan untuk tekstur basal tangensial
distribusi regangan
tangensial. Pada tekstur basal radial
perubahan
diameter lebih kecil jika dibandingkan
dengan
perubahan dinding, yang berarti (R ) nya lebih besar.
Pada tekstur sifat perubahan diameter sama dengan
perubahan
moiling, yang berarti (R ) nya mendekati satu,
dan pada tekstur basal tangensial perubahan diameter
lebih besar
jika dibandingkan
dengan
perubahan
dinding,
yang berarti (R )nya lebih kecil. Pada deformasi ini
sinkron dengan data pada Tabel-2, kenaikan koefisien
tekstur berbanding terbalik dengan rasio kontraksi (R ).
Rasio kontraksi sebesar 0,84 mempunyai koefisien
tekstur sarna
dengan 2,07 dan rasio kontraksi (R ) sebesar
3,5 mempunyai
koefisien tekstur sarna
dengan
0,29.
p..,..., kutW100)2)
E... Regenga" I DknonaiTBbung,
i--
Qebma..""t _no...
0.
AD~
'c--,
~>1~
~;J
o
[W~
f,!I.,
I i,.-x ..,.x ~,' R, AU~
'.
0.,
R.--
~,--~.
-<1 Ro@
'n
"'-"@
I
[~=a
~ < I " "~.,
Gambar 2. Pengaruh rasio reduksi
terhadap tekstur dan distribusi regangan
Kekuatan tarik
Kekuatan tarik juga sinkron dengan koefisien
tekstur. Pada Tabel-2, koefisien tekstur sebesar 0,29
mempunyai kekuatan tarik 108,1 ksi dan koefisien
tekstur sebesar
2,07 mempunyai kekuatan tarik 80,3 ksi.
Jadi kekuatan tarik sebanding dengan tekstur basal
tangensial.
Korosi Hidrid
Korosi hidrid sinkron dengan koefisien tekstur.
Pada Tabel-2,. Koefisien tekstur 2,07 mengalami korosi
hidrid sebesar
22,28 g/dm2 sedangkan
koefisien tekstur
0,29 mengalami korosi hidrid sebesar
29,2 korosi hidrid
mengarah pada tekstur basal. Ada perbedaan pada
tegangan hidrid. Tegangan hidrid arab tangensial lebih
besar jika dibandingkan dengan tegangan hidrid arab
radial. Jadi kecenderungan
hidridasi lebih mudah kearah
radial.
KESIMPULAN
2.
3
4.
Pengaruh Proses Pada TekYtur
Dari Tabel-2 terlihat babwa dengan adanya perbedaan jalur proses maka dihasilkan tekstur yang berbeda. Sarnpel B2 mengalarni proses beta quenching sedangkan sarnpel C 1 tidak mengalarni proses beta quenching. Koefisien tekstur B2 lebih besar daTi pada Cl, berarti tekstur basal ke arab tangensial lebih besar pada sarnpel B2. Perbedaan ini dapat dimengerti babwa rasa beta zirkonium memiliki struktur kristal BCC. Sistem kristal BCC mempunyai sirnetri lebih banyak jika dibandingkan dengan HCP. Penataan tekstur akibat deformasi tergantung pada arab gaya eksternal. Jadi pada rasa beta lebih banyak bidang kristal yang tertata ke arab tangensial dibandingkan dengan rasa alfa clan sebagai akibatnya setelab rekristalisasi menjadi rasa alfa maka tekstur basal ke arab tangensiallebih banyak.
Sarnpel C I dan A6 melalui perbedaan cara deformasi. Sarnpel C 1 dideformasi dengan cara gabungan reduksi clan tarik, sedangkan sarnpel A6 di deformasi dengan cara reduksi. Pada proses penarikan tekstur yang terbentuk adalab tekstur serat yaitu tekstur basal terdistribusi secara random diantara tangensial dan radial, sedangkan pada proses reduksi tekstur yang terbentuk tergantung deformasinya. Karena sarnpel C I dan A6 mengalarni deformasi yang sarna maka pasti sarnpel Cl mempunyai tekstur basallebih banyak jika dibandingkan sampel A6.
Pada proses aniling tekstur basal tidak banyak mengalarni perubahan. Pada sarnpel A6 clan D 1 perbedaannya terletak pada proses aniling. Pada sarnpel A6 setelab proses aniling, dideformasi clan direkaver, sedangkan pada sarnpel D 1 hanya mengalarni proses aniling. Proses deformasi dan rekaver pada sampel A6 menurunkan tekstur basal tangensial.
5.
Jalur fabrikasi zircaloy-4 menentukan
tekstur produk
Koefisien tekstur terbesar dicapai pada jalur
rektristalisasi
(aniling)
Rasio kontraksi regangan (R ) berbandifng terbalik
dengan koefisien tekstur
Korosi hidrid berbanding terbalik dengan koefisien
tekstur
Kekuatan
tarik berbanding terbalik dengan koefisien
tekstur
Terhadap
sifat bahan tekstur basal lebih baik jika
dibandingkan
dengan
tekstur basal radial
6.
DAFTAR PUSTAKA
[1],Rasio Regangan
Rasio regangan kontraksi (R ) adalah rasio
reduksi diameter terhadap reduksi dinding pada saat uji
tarik. Pada deformasi tabung zirkaloi diperoleh tiga
karakteristik pola tekstur deformasi dan distribusi
regangan. Untuk tekstur basal-radial distribusi regangan
LAMBBERT, J.B.D, Oxide fuels, in CAHN R.W.,
HANSEN P., and KRAMER E.J., Material
Science
and Technology,
cat 10 A, VHV Verlags
Gesellschagt
mbH, P 121.
KNODLER,
D.,
RESCHKF,
S.,
AND
WIDINGER, H.G., Technology of Zirconium
Alloysfor Cladding Tabungs of Water Cooled Fuel
[2].
~
zg J~ ZOOO
[6].
[3].
[7].
[4]. [8].
PICKLESIMER, M.L., Deformation, Creep, and
Fracture in Alpha-zirconium Alloys, Sysmposium
on
Zirconium its
alloys, electrochemical
technology,
July-August, 1966,289-300
GUILLAUME, M.J., BEAUVAIS, C., HOCHEID
B., Texture and formability
of titanin and
zirnocium sheets, ICOTOM G, september 28 /
October 3,1981,975
MILLER, G.L., Zirconium, 2nd
ed, Butter Worths,
London, 1957, P 240
[5].
Assemblies, Carl Haser Verlag, Muchen, 1987,
255-265
KAUFMANN, A.R. and MAGEL, T. T., Physical
Metallurgy of Zirconium and Its Alloys, in
OSTMAN, B and KERZE, FJ.R, The Metallurgy
of Zorconium, 1 st ed, Mcgraw Hill, New York,
1955,406-416
WOOD, C.R., Properties of Zircaloy-4 Tubing,
WAPD-TM- 585 -1966
TENCKHOFF E., Deformation Mechanisms,
Texture, and Anisotropy in Zirconium and
Zircaloy, ASTM, STP 966.
TANYA -JAWAB
Penanya: Fathurachman
(BATAN):
1. Tekstur Zirkaloy-4 yang mana yang paling cocok sebagai kelongsong
BB? Fase manakah dalam paduan
tersebut
yang lebih dominan (IX atau ~) agar mendapatkan
paduan
Zn yang baik?
Jawaban:
