Presiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
ID0100119
ISSN 1410-1998STUDI PENINGKATAN KETAHANAN CREEP BAHAN STRUKTUR AIMg2
EBRR DENGAN PEMBUATAN STRUKTUR TERARAH
M. Husna Al Hasa Pusat Elemen Bakar Nuklir ABSTRAK
STUDI PENINGKATAN KETAHANAN CREEP BAHAN STRUKTUR AIMg2 EBRR DENGAN PEMBUATAN STRUKTUR TERARAH. Bahan struktur AIMg2 hasil rakitan dengan pelat sisi mengalami tegangan tank ke arah aksial yang ditimbulkan oleh gaya yang menjepit/menggencet pelat sisi dengan pelat elemen bakar. Bahan struktur AIMg2 akan berada bersama elemen bakar itu sendiri pada kondisi di atas temperatur kamar dalam jangka waktu tertentu selama pemakaian elemen bakar di dalam teras reaktor. Bahan struktur AIMg2 akan mengalami perubahan sifat fisika dan mekanik seiring dengan bertambah tingginya tegangan dalam (internal stress) yang ditimbulkan oleh tumbukan neutron (iradiasi neutron). Di samping itu pula, bahan struktur AIMg2 akan dipengaruhi oleh gamma heating, sehinga terjadi peningkatan vibrasi atom-atom dengan frekuensi tinggi yang dapat meningkatkan laju difusi atom. Kondisi seperti tersebut di atas menyebabkan laju creep meningkat, sehingga ketahanan creep bahan struktur AIMg2 menurun. Ketahanan creep dapat ditingkatkan dengan cara pembuatan struktur butir terarah ke arah tegangan tarik. Pembuatan struktur butir terarah dilakukan dengan membekukan cairan logam dari posisi tertentu, dan kemudian butir dibiarkan tumbuh hanya ke arah tertentu pula dengan cara mengatur harga gradien temperatur dan laju pertumbuhan butir. Dengan demikian sebagian besar batas butir dari bahan dengan struktur butir terarah akan sejajar dengan arah tegangan tarik, dan batas butir yang tegak lurus arah tegangan tarik relatif sedikit, sehingga vacancy diffusion pada struktur terarah sangat sulit terjadi. Dengan demikian laju creep akan menurun dan ketahanan creep bahan menjadi meningkat.
ABSTRACT
STUDY OF THE INCREASING OF THE CREEP RESISTANCE ON THE ALMg2 FOR EBRR USING DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE. The AIMg2 cladding assembled with side plates experiences axially tensile stress generated by the roll-swaged forces. The cladding together with nuclear fuel element during the use of nuclear fuel element in the reactor, the AIMg2 cladding will be in the condition with high temperature. The physical and mechanical properties of the cladding will change in accordances with the high internal stress caused by neutron irradiation. In addition, the material is also influenced with gamma heating, so that the high frequency of the atomic vibration can increase the atomic diffusion rate in the cladding. This condition can increase the creep rate, so that the creep resistance of the cladding decreases. In fact, the creep resistance can be increased by directing the grain structure to the tensile stress. This condition can be grown up to a certain condition as well by changing the value of the temperature gradient and grain growth rate. Therefore, the grain boundary are almost parallel to tensile stress and the grain boundaries which are perpendicular to the tensile stress are relatively small, so that vacancy diffusion in the structure is difficult to occur. As the results the creep rate decreases and the creep resistance of the material increases.
PENDAHULUAN
Reaktor riset serbaguna GA.Siwabessy (RSG.GAS) menggunakan paduan aluminium sebagai bahan struktur elemen bakar, seperti paduan AIMg2 dan AIMgSi. Bahan struktur A!Mg2 digunakan sebagai kelongsong atau pembungkus bahan bakar tipe MTR (Material And Testing Reactor), seperti U3O8-AI dan
U3Si2. Paduan AIMgSi dipakai untuk pelat sisi
sebagai penyangga pelat elemen bakar yang sekaligus berguna membentuk struktur
bangun elemen bakar. Selain itu, paduan AIMgSi seri 6061 akan digunakan pula sebagai pengganti paduan AIMg2 untuk pembungkus bahan bakar silisida dengan angka muat tinggi dimasa mendatang. Kelongsong AIMg2 berupa pelat yang membungkus bahan bakar dirakit bersama dengan pelat sisi dan komponen lainnya membentuk elemen bakar siap pakai. Kelongsong AIMg2 hasil rakitan dengan pelat sisi mengalami tegangan tarik ke arah aksial yang ditimbuikan oleh gaya yang
Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir il PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
ISSN 1410-1998
menjepit/menggencet pelat sisi dengan pelat elemen bakar. Selain itu, kelongsong AIMg2 akan berada pada kondisi di atas temperatur kamar dalam jangka waktu tertentu selama pemakaian elemen bakar di dalam teras raktor yang sedang beroperasi. Kelongsong AIMg2 pula akan mengalami perubahan sifat fisika dan mekanik dengan bertambah tinggi tegangan dalam (internal stress) akibat kerapatan dislokasi meningkat yang ditimbulkan oleh tumbukan neutron (iradiasi neutron). Di samping itu pula bahan struktur akan dipengaruhi oleh gamma heating , sehingga mengakibatkan terjadi peningkatan vibrasi atom-atom dengan frekuensi tinggi. Kondisi seperti tersebut di atas menyebabkan laju creep meningkat, sehingga ketahanan
creep bahan struktur AIMg2 menjadi menurun.
Hal ini dapat terjadi karena jumlah kekosongan (vacancy) semakin meningkat pada butir yang mengalami tegangan tarik, sehingga jumlah vacancy pada butir yang mengalami tegangan tarik tersebut relatif lebih banyak bila dibandingkan dengan jumlah
vacancy pada butir yang sejajar dengan arah
tegangan tarik. Sebagai akibatnya terjadi aliran difusi vacancy dari butir-butir yang mengalami tegangan tarik ke arah butir yang sejajar dengan arah tegangan tarik. Demikian pula sebaliknya akan terjadi aliran difusi atom dari butir yang sejajar dengan arah tegangan tarik ke arah butir-butir yang mengalami tegangan tarik. Akibatnya butir akan mengalami perubahan dimensi yang memanjang ke arah tegangan tarik. Meskipun demikian, ketahanan creep dapat ditingkatkan dengan cara pembuatan struktur butir terarah ke arah tegangan tarik. Pembuatan struktur butir terarah dapat dilakukan dengan membekukan cairan logam dari posisi tertentu, dan kemudian butir dibiarkan tumbuh hanya ke arah tertentu pula, yaitu dengan cara mengatur harga gradien temperatur dan laju pendinginan serta laju pertumbuhan butir '1l2). Dengan demikian bahan struktur
AIMg2 atau AIMg-Si dengan struktur terarah, batas butimya sebagian besar akan sejajar dengan arah tegangan tarik, dan batas butir yang tegak lurus arah tegangan tarik relatif sedikit, sehingga difusi kekosongan (vacancy
diffusion) pada struktur terarah sangat sulit
terjadi. Sebagai akibatnya iaju creep akan menurun dan ketahanan creep bahan menjadi meningkat. Dengan demikian bahan/logam yang mempunyai struktur butir terarah, ketahanan creep nya jauh lebih baik
dibandingkan dengan bahan yang memiliki butir equiaksial, seperti ditunjukkan pada Gambar 1M. i n
1
MAn-M300 -_ f B8I'C Jiri Mrdi / bvtk / / -1 Wiktu,J«m. 'Gambar 1. Perbandingan ketahanan creep pada logam yang memiliki butir equiaksial, struktur butir terarah
(columnar) dan kristal tunggal (monocrystaloy)
TATA KERJA
Pembuatan Struktur Terarah
Pembuatan struktur butir terarah, yaitu dengan cara mencairkan logam paduan AIMg2 di dalam suatu wadah di atas temperatur titik cair logam dengan menggunakan tungku pemanas. Wadah tabung yang berisi cairan logam paduan AIMg2 yang mengalami pemanasan pada temperatur di atas temperatur titik cair ditahan beberapa lama didalam tungku pemanas agar terjadi pencairan yang homogen. Kemudian wadah diturunkan dengan kecepatan konstan hingga keluar dari tungku pemanas dan ujung wadah tersebut segera didinginkan dengan air pendingin dengan cara menyemprotkan dari arah sekelilingnya. Selama pendiginan berlangsung, wadah tersebut tetap bergerak turun dengan kecepatan konstan, sehingga cairan yang ada di dalam wadah menjadi membeku semuanya. Dengan demikian wadah akan mengalami pendinginan dari ujung bawah ke arah atas, dan demikian pula pembekuan akan berlangsung dari arah bawah ke arah atas. Gambar 2 memperlihatkan secara skematis suatu alat proses yang terdiri dari tungku pemanas dan sitem pendingin yang dipergunakan untuk pembuatan struktur butir terarah.
ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
koil o o o o <Mcji--O o o
/ooo
o
1
1
1
1
u*—'1 ^^
0
>ir
: tabung {lube) Icnuibel alumina * — scnipfoUui airGambar 2. Skematis alat proses pembekuan struktur butir terarah
BAHASAN
Laju creep yang diakibatkan oleh iradiasi neutron pada bahan struktur telah dipelajari dan diamati secara eksperimen dan hasilnya menunjukkan bahwa laju creep akibat iradiasi neutron relatif meningkat dan iebih besar daripada laju creep akibat termal tanpa pengaruh iradiasi[3!. Hal ini dikarenakan pada creep iradiasi terjadi pergerakan atau
perpindahan atom yang tinggi akibat tumbukan neutron, sehingga mengakibatkan timbulnya kekosongan kisi seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Selain itu, juga dipengaruhi oleh gamma heating sehingga mengakibatkan terjadi peningkatan vibrasi atom-atom dengan frekuensi tinggi. Sebagai akibatnya menyebabkan jarak antar-atom menjadi besar, sehingga ikatan antar-atom terlepas dan terjadi perpindahan atom-atom yang akhirnya akan terjadi perubahan bentuk serta dimensi butiran. Dengan demikian ketahanan creep bahan struktur elemen bakar, seperti kelongsong AIMg2 menjadi menurun selama pemakaian elemen bakar di dalam teras reaktor. Sebagai akibatnya akan terjadi perubahan sifat mekanik dan perubahan dimensi secara mikro maupun makro [3|4). Hal
ini terjadi dapat diakibatkan oleh creep termal dan creep iradiasi. Creep termal yaitu, terjadi perubahan sifat dan dimensi bahan akibat deformasi plastis secara perlahan-lahan dan kontiniu dengan beban tetap pada temperatur tinggi l5\ Creep iradiasi yaitu, creep yang disebabkan oleh iradiasi neutron dalam
lingkungan radiasi nuklir |3). Mekanisme
deformasi creep dapat terjadi melalui beberapa proses atomik, seperti panjat dislokasi (dislocation climb), difusi kekosongan
{vacancy diffusion) dan pergelinciran batas
butir (grain boundary sliding)I4|S|61.
Panjat dislokasi (dislocation climb) adalah berpindahnya dislokasi yang disebabkan karena terjadi difusi atom, seperti difusi kekosongan atau sisipan (intersititials) yang diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar 4a memperlihatkan bahwa atom berdifusi dari posisi atas ke posisi bawah mengisi kekosongan dan Gambar 4b memperlihatkan dislokasi berpindah memanjat ke atas satu renggang atom atau renggang kisi.
oo
%m&
Gambar 3. Perpindahan atom akibat tumbukan neutron
; • • •
(a)
Q
id)
Gambar 4. Panjat dislokasi (dislocation climb). a) difusi kekosongan ke dislokasi sisi b) dislokasi berpindah memanjat ke atas satu renggang kfsi.
Difusi kekosongan (vacancy diffusion) adalah terjadinya perpindahan atau perubahan posisi atom dari kedudukan semula ke tempat
Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
ISSN 1410-1998
yang lain. Perubahan posisi atom tersebut karena pengaruh energi termal, sehingga atom-atom memiliki energi yang lebih besar dari energi aktivasinya, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5 memperlihatkan butir mengalami tegangan tarik dan tegangan tekan pada arah seperti diperlihatkan pada gambar tersebut. Tegangan tarik yang berkerja pada sisi atas dan sisi bawah dari butir tersebut mengakibatkan jumlah vacancy pada sisi tersebut semakin banyak, sehingga jumlah vacancy pada sisi atas dan sisi bawah jauh lebih banyak bila dibandingkan dengan jumlah vacancy pada sisi kiri dan sisi kanan. Demikian pula sebaliknya akan terjadi aliran difusi atom dari sisi kiri dan sisi kanan ke arah sisi atas dan sisi bawah. Dengan demikian butir akan mengalami perubahan dimensi, yaitu memanjang ke arah tegangan tarik, seperti diperlihatkan pada Gambar 5b.
Gambar 5. Difusi kekosongan (vacancy
diffusion), a) Atom-atom berdifusi
dari sisi kiri dan sisi kanan butir ke arah sisi atas dan sisi bawah, dan kekosongan berdifusi ke arah sebaliknya, b) Butir mengalami pemanjangan ke arah tegangan tarik.
Pergelinciran batas butir (grain boundary
sliding) adalah proses pergeseran/pergerakan
butir yang terjadi searah dengan batas butir, seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Pergelinciran batas butir tersebut terjadi akibat meningkatnya suhu atau menurunnya laju regangan. Mekanisme grain boundary sliding terjadi seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Pada Gambar ini, butir digambarkan sebagai bentuk segi enam dan tersusun seperti diperlihatkan pada Gambar 6a. Apabila butir logam tersebut mengalami tegangan tarik,
sebagai akibatnya pada masing-masing butir terjadi vacancy diffusion dan mengalami perpanjangan ke arah tegangan tarik seperti ditunjukkan pada Gambar 6b. Perubahan dimensi dari butir-butir ini menyebabkan timbulnya kekosongan (void), seperti diperlihatkan pada Gambar 6b. Kemudian kekosongan tersebut akan hilang setelah terjadi grain boundary sliding, seperti ditunjukkan pada Gambar 6c. Dengan demikian, panjang susunan butir pada arah tegangan tarik yang diperlihatkan pada Gambar 6c menjadi lebih panjang dari susunan butir sebelumnya.
Gambar 6. Pergelinciran batas butir {grain
boundary sliding), a) Bentuk
dan susunan butir sebelum terjadi pergeseran dan perubahan dimensi, b) Bentuk butir yang telah mengalami perubahan dimensi akibat pengaruh difusi kekosongan dan mengakibatkan timbulnya kekosongan (rongga), c) Bentuk butir setelah terjadi pergelinciran batas butir dan kekosongan menjadi hilang. Ketahanan creep bahan struktur dapat ditingkatkan dengan cara pembuatan struktur butir terarah ke arah tegangan tarik atau beban yang dialami bahan. Pembuatan struktur butir terarah terhadap bahan struktur AIMg2 diharapkan menghasilkan bentuk butir
columnar, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Pembuatan struktur butir terarah dilakukan dengan pembekuan terarah dari posisi tertentu dan kemudian butir dibiarkan tumbuh hanya ke arah tertentu pula, seperti ke arah <100> yang diperlihatkan pada Gambar 7. Proses pembekuan tersebut
ISSN 1410-1998 Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II
PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
dilakukan dengan penyemprotan air ke sekeliling wadah yang berisi cairan logam dari arah bagian bawah ke arah bagian atas dengan cara menurunkan wadah hingga keluar dari dalam tungku pemanas. Pada saat cairan logam mengalami pendinginan dan pada saat itu pula terjadi pengintian dan pertumbuhan butir ke arah atas yang berlawanan dengan arah aliran panas. Butir-butir tersebut tumbuh dengan cepat dan selama pertumbuhan berlangsung butir-butir ini melebar dan menghambat pertumbuhan butir-butir lainnya yang tumbuh lebih lambat. Selama pendinginan berlangsung wadah tetap bergerak turun dengan kecepatan konstan, sehingga cairan logam yang ada di dalam wadah menjadi membeku seluruhnya. Selama penyemprotan berlangsung, terjadi proses perpindahan panas dari logam melalui wadah ke air secara konduksi. Dengan demikian, prinsip dasar untuk menghasilkan struktur butir dengan pembekuan terarah adalah dengan cara mengatur gradien temperatur dan laju pendingin. Makin besar harga gradien temperatur dan makin kecil haraga laju pendingin memberikan kemungkinan untuk memperoleh struktur terarah semakin besar.
<1OO> <100><100> <1OO> <1OO>
Gambar 7. Bentuk struktur butir terarah
(columnar)
Gambar 8 memperlihatkan perbedaan bentuk butir yang mengalami tegangan tarik, seperti butir equiaksial, butir struktur terarah dan butir kristal tunggal. Bahan dengan bentuk butir yang berbeda, seperti tersebut di atas apabila diberi beban tarik yang sama besar dengan arah seperti ditunjukkan pada Gambar 8 dan dilakukan pada temperatur yang sama akan mengalami creep dengan laju creep yang berbeda. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa ketahanan creep bahan dengan
struktur butir terarah adalah lebih tinggi daripada bahan dengan bentuk butir equiaksial dan demikian pula, ketahan creep bahan dengan bentuk kristal tunggal adalah jauh lebih tinggi daripada bahan dengan kedua bentuk butir tersebut di atas. Hal ini dikarenakan pada butir equiaksial, batas butirnya banyak yang tegak lurus arah beban. Pada struktur terarah, batas butirnya sebagian besar sejajar dengan arah beban dan batas butir yang tegak lurus arah beban relatif sedikit. Sedangkan pada kristal tunggal, logam tidak mempunyai batas butir sehingga
vacancy diffusion pada kristal tunggal relatif
sangat sukar terjadi dibandingkan daripada struktur terarah dan butir equiaksial yang banyak mempunyai batas butir. Hal ini dikarenakan vacancy lebih banyak terdapat pada daerah batas butir. Demikian pula pada struktur butir terarah, batas butir yang tegak lurus arah tegangan tarik relatif sedikit dibandingkan daripada butir equiaksial, sehingga vacancy diffusion pada struktur terarah akan jauh lebih sulit terjadi daripada butir equiaksial. Dengan demikian laju creep pada kristal tunggal jauh lebih kecil daripada struktur terarah dan laju creep pada bahan dengan struktur terarah jauh lebih kecil dibandingkan daripada bahan dengan bentuk butir equiaksial.
Gambar 8. Bentuk butir logam a) butir equiaksial,
b) struktur butir terarah c) struktur kristal tunggal
SIMPULAN
Dari studi dan bahasan tersebut di atas dapat disimpulkan sebagai berikut. Bahan struktur yang mengalami iradiasi neutron, ketahanan creepnya dapat menjadi menurun. Hal ini terjadi karena bahan mengalami peningkatan vibrasi atom dengan frekuensi
Prosiding Presentasi llmiah DaurBahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996
ISSN 1410-1998
tinggi, sehingga menyebabkan laju difusi atom meningkat, seperti difusi kekosongan
(vacancy diffusion) dan akhirnya mendorong
terjadinya pergelinciran batas butir (grain
boundary sliding). Ketahanan creep bahan
struktur dapat ditingkatkan dengan membentuk struktur butir terarah ke arah tegangan tarik. Dengan demikian batas butirnya sebagian besar akan sejajar dengan arah tegangan tarik dan batas butir yang tegak lurus arah tegangan tarik relatif sedikit, sehingga vacancy diffusion pada struktur butir terarah sangat sulit terjadi.
DAFTAR PUSTAKA
[1] KURZ.W., Fundamentals Of Solidification, Third Edition, Trans Tech Publications,
1989.
[2] McLEAN, M., Directionally Solidified
Materials For High Temperature Service,
The Metals Society, 1983.
[3] BENJAMIN M.MA, Nuclear Reactor
Materials And Applications.Van Nostrand
Reinhold Company, Newyork, 1983. [4] HONEYCOMBE, R.W.K., The plastic
Deformation Of Metals, Edward Arnold Ltd,
London, 1971.
[5] DIETER.G.E., Mechanical Metallurgy, Second edition, McGraw-Hill, Newyork, 1981.
[6] SMALMAN, R.E., Modern Physical
Metallurgy, Butterworth & Co Ltd, 1985.
2. Nusin Samosir
• Mohon penjelasan, apakah dengan membuat butiran berbentuk struktur butir terarah {columnar) akan memberikan peningkatan ketahanan creep yang lebih tinggi dibandingkan dengan butir berbentuk equiaksial.
M. Husna Al Hasa
• Hasil eksperimen menunnjukkan bahwa ketahanan creep bahan dengan struktur butir terarah adalah relatif lebih tinggi daripada bahan dengan bentuk butir equiaksial. Hal ini karena struktur butir terarah memiliki batas butir yang relatif sedikit daripada yang dimiliki oleh butir equiaksial, dan pada struktur butir terarah batas butirnya sebagian besar sejajar dengan arah beban, sehingga batas butir yang tegak lurus arah beban relatif sedikit. Dengan demikian pembentukan vacancy pada struktur butir terarah adalah relatif lebih sedikit daripada butir equiaksial yang mempunyai banyak batas butir, sehingga menyebabkan difusi kekosongan (vacancy
diffusion) pada struktur butir terarah akan
jauh lebih sulit terjadi daripada butir equiaksial.
TANYA JAWAB
1. Muchlis Badruzzaman
• Sejauh mana tentang model creep yang sudah dipelajari, mengingat creep sangat berkaitan dengan modelling dan unjuk kerja di reaktor.
M. Husna Al Hasa
• Pada studi penelitian ini penulis mempelajari mengenai creep termal
(thermal creep) dan creep iradiasi (irradiation creep) yang akan dialami oleh
bahan struktur selama keberadaannya di reaktor. Selain itu dipelajari pula mekanisme deformasi creep yang terjadi melalui proses atornik, seperti panjat dislokasi (dislocation climb), difusi kekosongan (vacancy diffusion) dan pergelinciran batas butir (grain boundary
