Rekayasa Permukaan Baja untuk Bahan Sistem Reaktor Nuklir Menggunakan

Teknik Pulsed Electron Beam

Abu Khalid RivaiPusat Teknologi Bahan Industri Nuklir-PTBIN

BATAN

Seminar Nasional Teknologi dan Aplikasi Akselerator XIV, Yogyakarta 13 Desember 2011

BATAN

URAIAN

Latar Belakang Tujuan Penelitian Tata Kerja Hasil dan Pembahasan Kesimpulan

Latar Belakang (1)

Kualitas keandalan bahan untuk sistem reaktor nuklir merupakan syarat utama dalam perancangan dan pengoperasian sistem reaktor nuklir khususnya reaktor nuklir maju.

Reaktor nuklir maju membutuhkan bahan dengan keandalan tinggi pada： temperatur tinggi, tingkat pembakaran bahan bakar yang tinggi, lingkungan yang korosif serta untuk operasi yang panjang.

Salah satu teknik yang dikembangkan di dunia untuk meningkatkan kualitas keandalan bahan untuk sistem reaktor nuklir adalah pulsed electron beam. Teknik ini menawarkan aplikasi yang luas dalam meningkatkan maupun menyempurnakan kualitas properti permukaan bahan seperti keausan (wear), korosi dan ketahanan oksidasi.

Proses teknik Pulsed Electron Beam GESA-Gepulste Elektronen Strahl Anlage cathode

Magneticcoil

Anode

Target

Parameter Electron beamEnergi Elektron :50 - 400 keVDensitas daya: ~ 6 MW / cm²Durasi pulsa terkontrol: 1 - 40 µsDiameter Beam: 5 - 10 cm

Fasilitas GESA*

Latar Belakang (2)

* berada di Institute for Pulsed Power and Microwave Tech. KIT-Germany

Pemanasan Volumetrik:Tingkat kecepatan : < 109 K/sDurasi : < 40 µs

Lapisan Lebur:Kedalaman : < 100 µmKecepatan Pendinginan : < 107 K/s

RestrukturisasiLapisan Permukaan

• Struktur dan transisi fasa.• Pengerasan (hardness).• Wear resistance.• Ketahanan korosi dan

oksidasi.

Alloying permukaanbaik pada lapisan baruatau lapisan yang sudah di treatment.

e-

beam

Pemanasan Volumetrik:Tingkat kecepatan : < 109 K/sDurasi : < 40 µs

Lapisan Lebur:Kedalaman : < 100 µmKecepatan Pendinginan : < 107 K/s

RestrukturisasiLapisan Permukaan

• Struktur dan transisi fasa.• Pengerasan (hardness).• Wear resistance.• Ketahanan korosi dan

oksidasi.

Alloying permukaanbaik pada lapisan baruatau lapisan yang sudah di treatment.

e-

beam

Jangkauan Pengaruh Temperatur Di Daerah Dekat Permukaan

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00

500

1000

1500

2000

DC-Electrons (τ= 690µs)

DC-Laser (τ= 490µs)

GESA (τ= 30µs)

tem

pera

ture

[°C]

time [ms]

Tingkat Pendinginan

Teknik Komersil

Penelitian

< 102 K/s conventional quenching

103 - 104 K/s scanning(Laser, DC-ebeam)

106 - 108 K/s GESA

< 1012 K/s pulsed laser

Perbandingan Teknik PEB Dengan Teknik DC Laser dan DC Electrons*

Latar Belakang (3)

* Alfons Weisenburger, Structural Materials for Innovative Nuclear Systems (SMINS), Karlsruhe-Germany, 4-6 Juni (2007).

Tujuan Penelitian

Mempelajari teknik pulsed electron beam di fasilitas GESA I* (Gepulste Elektronen Strahl Anlage) dalam meningkatkan properti bahan permukaan baja AISI316Ti dan baja C60.

*GESA I berada di Institute for Pulsed Power and Microwave Technology-Karlsruhe Institute of Technology Germany

Fasilitas Pulsed Electron Beam GESA I

Tata Kerja (GESA I)

Parameter Besaran

Energi Elektron 50-150 keV

Densitas Daya Sampai dengan 2 MW/cm2

Durasi Pulsa 5-50 µs

Diameter Beam 4-8 cm

Tekanan 10-5 – 10-4 mbar

Fe Cr Ni Mo Ti C

Balance 16,5-18,5 10,5-13,5 2,0-2,5 0,70 0,08

Fe Cr Ni Mo Si Mn P S C Cr+Mo+Ni

Balance <0,40 0,40 <0,10 <0,400,60-

0,90<0,045 <0,045

0,57-

0,65<0,63

Komposisi kimia baja AISI316Ti (wt.%)

Komposisi kimia baja C60 (wt.%)

Tata Kerja (sampel uji)

Tata Kerja (kondisi)

Parameter Besaran (sampel-1) Besaran (sampel-2)

UL 120kV 120kV

Um 300/500 300/500

Ch1 (UDiode) 119,6 kV/V 119,6 kV/V

Ch2 (Itarget) 80 A/V 80 A/V

Ch3 (Iges) 200 A/V 200 A/V

Ch4 (Ukisi) 44,75 A/V 44,75 A/V

Vacuum < 3,0 x 10-5 mbar < 3,0 x 10-5 mbar

Kondisi Percobaan (baja AISIS316Ti) Kondisi Percobaan (baja C60)

Tata Kerja (lokasi)

GESA I

GESA I

Hasil dan Pembahasan

200 µm200 µm20 µm

37.15 µm 35.70 µm 33.35 µm

Hasil dan Pembahasan

Perbesaran 200x Perbesaran 1000x

Baja AISI316Ti setelah perlakuan GESA I

200 µm200 µm

Hasil dan Pembahasan

Perbesaran 200x Perbesaran 500x

Baja C60 setelah perlakuan GESA I

Hasil dan Pembahasan

Leveling Profile

Hole Profile Peak Profile

Baja AISI316Ti setelah perlakuan GESA I

0200400600800

100012001400

C60 (original) C60 (GESA I)

Sampel

Vic

kers

Har

dnes

s (H

V)

Hasil dan Pembahasan

Baja C60 setelah perlakuan GESA I

KESIMPULAN

Rekayasa permukaan baja AISI316Ti dan baja C60 dengan teknikpulsed electron beam-GESA I (Gepulste Elektronen Strahl Anlage I)telah dilakukan.Terjadi peningkatan properti bahan lapisan permukaan pada baja AISI316Ti dan baja C60.

Terbentuk lapisan tipis ≤50µm yang kuat ikatannya dengan substrat, fine-grained, dan homogen.

Terjadi peningkatan kekerasan (hardness) baja C60 sampai dengan 4,2 kali lipat dari kondisi semula.

Hasil percobaan ini menunjukkan bahwa teknik pulsed electron beam memiliki potensi untuk aplikasi pada bahan sistem reaktor nuklir maju.

Ucapan Terima kasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada:

Kementerian Riset dan Teknologi yang telah mendanai program pemagangan riset di Institute for Pulsed Power and Microwave Technology (IHM)-Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Jerman, sebulan 7 Okt. - 4 Nop. 2011.

Dr. Georg Müller (Deputy Director of IHM-KIT) dan Dr. Alfons Weisenburger (Group Leader of GESA) atas penerimaan kegiatan pemagangan riset ini.

Ir. Iman Kuntoro (Kepala Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir-Batan) dan Dr. Sudaryanto, M.Eng (Kepala Bidang Bahan Industri Nuklir Batan) atas dukungannya dalam pengajuan dan pelaksanaan program ini.