m.husna ai hasa, yatno dwi agus susantodigilib.batan.go.id/e-prosiding/file...
TRANSCRIPT
ISSN 0854 - 5561 Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005
SINTESIS PADUAN AIFeNi DEN CANMETODA 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 terusdilakukan, 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 kelongsongmenjadi 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 dapatdihindari dengan mengurangi perbedaan sifatkekerasan antara inti elemen bakar dan
kelongsong yang terlalu tinggi. Seiring dengan
87
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 pengembanganbahan struktur kelongsong dilakukan oleh
berbagai pihak didunia . seiring dengan
peningkatan pengembangan bahan bakar maju
berdensitas tinggi. Pengembangan bahan bakar
maju berdensitas tinggi dilakukan searah
HasH Hasil Penelitian EBN Tahun 2005
dengan program RERTR yang beroerientasi
kepada penggunaan uranium pengkayaanrendah [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)
88
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 tungkubusur 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 permukaannyadibersihkan dan dihaluskan. Permukaan
spesimen AIFeNi diratakan dengan
penggerindaan dan dipoles secara bertahap
menggunakan mesin poles. Spesime:n AIFeNihasH 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 mekanikdilakukan dengan uji kekerasan menggunakanmetoda Vicker. Analisis mikrostruktur paduan
AIFeNi diamati dengan menggunakan
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 II 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 prosentasekadar Ni. Peningkatan fasa kedua yang
semakin tinggi akan berdampak terhadap
peningkatan kekerasan karena kehadiran fasakedua 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 menjadibentuk butir dendrit seperti ditunjukkan pada
Gambar 3b dan 3c karena sebagian fasa a-AI
bertransformasi menjadi fasa K. Fasa K
berupa senyawa NiAI3 yang berselsatuanorthorombik 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 2Kadar N Pada Paduan AIFeNi, %
2.5
Z 40
530c~ 20
~ I , __
~ 10 t ----T - -
(j) I
~ 0o
'E60E2:50
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. DariGambar 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 menempatikisi sel-satuan FCC. Proses larut-padat atomFe 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 kekerasanbahan.
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.
89
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 padaGambar 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
90
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 tinggimendorong 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%Fe0,5%Ni
100 f.lm
Gambar-3.b.:Struktur mikro paduan A11,5%Fe,1%Ni
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
91
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 Meetingon 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,DAS Measure.
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.SpesimenBerat,Hasil KompaksiHasi lebur
Komposisi paduan AIgrTebal, mmDiameter, mmDiameter, mm
11,5%Fe,O,5%Ni 22 3015
21,5%Fe, 1 %Ni 22 3015
31,5%Fe, 2 %Ni 22 3015
Tabel-2: Butir dendrit dan kekerasan spesimen paduan AIFeNi hasHpeleburan
No. Komposisi Paduan AluminiumUkuran butir dendrit, !-1mKekerasan,HV N/mm"1
1,5%Fe,O,5%Ni 5,1338,32
1,5%Fe, 1 %Ni 68,8453
1,5%Fe, 2 %Ni 51,5652,1
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 persamaanberikut.
( 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= 6m= 3d= ?
d=C8,95 + 12,36 + 12,56)138-1 6-1 6-1
d=C8,95 + 12,36 + 12,56)13755
d =(2,707 + 2,472 + 2,512)13
d = 7,6913
d = 2,5636 mm
Pembesaran pada mikroskop optik sebesar 500x jadi:
d = 2,5636500
d = 0,00513 mm
d=5,13,wn
92
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: 4m: 3d: ?
d:(20,72 + 20,35 + 25,93)134-1 5-1 4-1
d{20,72 + 20,35 + 25,93)133 4 3
d:(6,906 + 5,0875 + 8,643)/3
d:20,6373
d:6,88mmPembesaran gambar mikrostruktur 100X, jadi:
d: 6,88mm100
d:0,0688 mmd :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 n3:4m: 3d: ?
d{14,09 + 14,76 + 17,56)134-1 4-1 4-1
d{14,09 + 14,76 + 17,56)13333
d :(4,696 + 4,92 + 5,853)/3
d:15,4693
d:5,156mmPembesaran gambar mikrostruktur 100X, jadi:
d: 5,156100
d:0,05156mmd :51,56 Jml
93
Hasil Hasil Penelitian EBN Tahun 2005