p~ ~ N~ I:I~ N~.l..,.. S; ,. X KL 3, ISSN 1410-76g6

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 airbertekanan (pressurized water reactorsIPHWR) dan reaktor air berat bertekanan (pressurized heavy water reactors/PHWR). Makalah akanmembahas pengendalian tekstur untuk meningkatkan kemampuan bentuk, kekuatan dan ketahanan hidridasi tinggi. Fabrikasi Tabung Zircaloy-4melalui penempaan pertama pada ingot kemudian dilakukan 13 quenching atau aniling dan selanjutnya dilakukan penempaan kedua. Setelahpenempaan kedua dilakukan ekstrusi dan diikuti perlakuan panas. Langkah selanjutnya dilakukan pelobangan tabung (tabung-ho/low). Setelahlangkah ini, dilakukan Roking dan perlakuan panas. Langkah terakhir pembentukan tabung kelongsong. Didapat empat jenis sampel berdasarkanjalur fabrikasi. Dari analisis data diperoleh hasil sebagai berikut: Jalur fabrikasi zircaloy-4 menentukan tekstur produk. Koefisien tekstur terbesardicapai pada jalur rektristalisasi (aniling). rasio kontraksi regangan (R ), korosi hidrid, dan kekuatan tarik berbanding terbalik dengan koefisientekstur. 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 waterreactorstPWR and pressurized heavy water reactors/PHWR. In this paper is discused on texture contolling so that the materials have highformability, strenth and corrosion. Fabrication of zircaloy-4 tabung by mean of first forging of ingot than it is treated by 13 quenching or anealing andfurthermore 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. Afterthis step are rocking and heat treatment of recovery. Based on fabrication, There are four different sampels. From the analysing data was found asfollow: The fabrication route determines the texture of zircaloy-4 products. The texture coeffisient maximum is resulted from the recrystallizationroute. The contraction ratio (R ), hiride corrosien, and strength are in opposite with the texture coeffisient. The bassal texture has effects thepositive effect on material properties

PENDAHULUAN

yaitu korosi hidrida clan anisotropi fisis yaitu interaksinetronik. Kekuatan tekan maupun tarik sejajar sumbu catau tegak lurns bidang basal lebih besar jikadibandingkan dengan kekuatan tegak lurus sumbu aksisatau sejajar bidang basal. Korosi hidridasi yaituterbentuknya plate/ate hidrida, akibat interaksi hidrogendengan zirkonium yang mengarah pada bidang basal.Reaksi netronik mengakibatkan perpindahan atom dalamsusunan kristal yang berarti dislokasi clan selanjutnyadeformasi. Proses deformasi tergatung pada sistemdeformasi. Sistem piramida, lebih mudah mengalamideformasi jika dibandingkan dengan sistem prismatikclan yang paling suI it ada:lah sistem basal.

Tekstur zirkaloi pada umumnya dipengaruhioleh proses fabrikasi. Sebagai parameternya ialah rasioreduksi tebal (RW) terhadap reduksi diameter (RD) ataurasio deformasi radial (Er) terhadap deformasi tangensial(ET)' Untuk RW/RD > 1 atau ER lET> 1 dihasilkan

Zirkaloi-4 digunakan sebagai kelongsongelemen bakar reaktor air bertekanan (pressurized waterreactors/PWR) clan reaktor air berat bertekanan(pressurized heavy water reactors/PHWR)[I].Kelongsong zircaloy-4 berbentuk tabling mempunyaidiameter 9,1 mm clan tebal 0,42 mm untuk PWR clanuntuk reaktor PHWR mempunyai diameter 13,1 mm clantebal 0,42 rom. Dalam fabrikasi zircaloy-4 melibatkandeformasi dingin, seperti penempaan, ekstrusi, clanroking[2]. Proses yang lain ialah perlakuan panas yaituaniling (annealing). Selama proses deformasi dinginterjadi deformasi plastis yang berarti terjadi rotasi kristal.Sebagai akibatnya terjadi perubahan orientasi kristal.Probabilitas perubahan orientasi kristal ke arab tertentudisebut tekstur. Pada saat dikenai pemanasan terjadirikristalisasi, 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 hidridtergantung pada bidang basal dan SCC tergantung padasistem deformasi. Permasalahannya ialahmengidentifikasi tekstur yang terbentuk oleh suatu prosesfabrikasi dan bagaimana memilih proses sehingga teksturyang terbentuk dapat mengurangi terbentuknya hidriddan menghindari retak akibat SCC. Dalam paper ini akandibahas pengendalian tekstur sehingga bahan mempunyaikemampuan bentuk, kekuatan dan ketahanan hidridasi

tinggi.

1I.'\'mI

@~02)

AD

~.t;!!-Vm

100

~'TD ~ ~TD

O'l~O1

TEOR! EE

~~

"'/~""\~"""

I07251

~ 07001

Gambar 1. Ilustrasi analisis tekstur

Rekristalisasi terjadi jika terbentuk inti butirbaru 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 melibatkanproses deformasi dingin clan perlakuan panas. Dengandemikian mengakibatkan kemungkinan rotasi kristal danpembentukan kristal baru, yang berarti penataan kristalatau tekstur yang berbeda dengan bahan sebelumfabrikasi. Dalam paper ini akan dibahas masalah teksturdeformasi tekstur rekristalisasi korelasi tekstur denganhidridasi dan SCC.

Satuan KristalSatuan kristal heksagonal mempunyai konstanta

kristal sumbu datal (a) dan sumbu tegak (c). Padakristal heksagonal digunakan rasio (cia) sebagaikonstanta kristal. Bidang dan arab kisi kristal ditentukanoleh indeks Miller. Dalam sistem kubik dikenal {hkl}untuk bidang kristal dan (uvw) untuk arab kristal. Dalamsistem 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 bidangbasal (bidang segi enam), bidang prisma (bidang segiempat) dan bidang piramid (bidang segi tiga)[3].

Tekstur adalah kecendrungan susunan kristaldalam baban kristal. Tekstur di karakterisasi oleh bidangdan arab kisi kristal. Pemaparan tekstur, salah satunya

dengan proyeksi kutup (pole figure). Proyeksi yangdimaksud adalah normal bidang kristal. Arah proyeksimengacu pada arab suatu balok yaitu arab normal (ND),arab melintang (ill), daD arab membujur (RD). Untuktabung 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 yangmengakibatkan pergeseran bidang kisi kristal. Ada duamode operasi deformasi yaitu secara pergeseran (slip)dan pembelahan (Twin). Pada sistem heksagonaldeformasi ditentukan oleh rasio cia dan energi ikatatom(4). Untuk cia < ..,13 terjadi pergeseran pada sistem(0001) [2 110] yaitu pada logam Cd daD Zn. Twinterjadi pada bidang piramid untuk logam Zr. Besarkecilnya energi ikat atom mempengaruhi mudah atausulitnya terjadi deformasi. Energi ikat atom Zr padabidang prisma 56 erg/cm2 dan pada bidang basal 250 -

300 erg/cm2. Dengan demikian bidang prisma mudah

mengalami pergeseran jika dibandingkan dengan bidangbasal. Titanium mempunyai energi ikat atom 145erg/cm2 pada bidang prisma dan 300 ergicm2 pada bidangbasal. Dengan demikian maka logam zirkonium lebihmudah dideformasi dari pada titamin.

DeformasiDefonnasi dingin pada fabrikasi tabW1g

zircaloy-4 terjadi saat penempaan dan ekstrusi. Prosesini mengakibatkan sistem slip dan twin beroperasi.Sudah dijelaskan di atas bahwa slip terjadi pada arab(2110) dengan bidang basal {0001}, prisma {OlIO} danpiramid {II 0 1 } .Berdasarkan energi ikat atom, bidangprisma mempW1yai energi lebih rendah (13 erg/cm2) daripada bidang basal (250 -300 erg/cm2). Berdasarkanenergi ikat tersebut maka bidang prisma lebih mudahmengalami pergeseran/rotasi.

Sistem twin yang beroperasi tergantung padamode tegangan. Sistem twin {1012} <1011> dan {1121}<1126> beroperasi pada mode tegangan penarikan(tension). Sistem twin {1122} <1123> beroperasi padamode tegangan penekanan (compression)[6].

Pergeseran kisi kritis ditentukan oleh teganganiris kristis (Critical resolved shear stress). Teganganiris kritis dirumuskan sebagai berikut [7]:

~ zg J-.- ZOOO118

T~~~I:I,.,,;.lF~~

adalah intensitas pada sudut Bragg tertentu. Penentuantekstur secara relatif tersebut diformulasikan sebagaiberikut[9] :

Fl' = -.cos f/J cos).,

A.u = cos f/J cos ).,

Dengan, 't adalah tegangan iris kritis (ergicm1, F adalahclara terpasang (erg), A adalah tampang lintang (cm1, cjIadalah sudut antara normal bidang slip dengan arab gayaeksternaI, A adalah sudut antara arab slip dengan gayaeksternaI, ~ adalah faktor schmid.

Di mana, TC(hkl) adalah koefisien tekstur, ~hkl) adalahintensitas puncak ( h k 1), Io(hkl) ada1ah intensitas random.

HASIL DAN PEMBAHASANMETODA

Bahan Tekstur Da/am TabungPada saat reduksi tabung untuk kelongsong

terjadi proses deforrnasi. Ada tiga karakteristik reduksipada pembuatan tabung. Reduksi tersebut adalah reduksitampang lintang (RA), reduksi diamter (RD), dan rduksiketebalan (R W). Deforrnasi mengakibatkan perubahanketebalan dinding daD diameter. Deforrnasi plastis yangutama disebabkan oleh gaya kompresi. Rasio ketebalanterhadap diameter selarna proses reduksi menentukanjenis tekstur. Tiga kelompok karakteristik rasio ketebalanterhadap diameter adalah R W /RD > 1, R W /RD = 1, daD

R W /RD < 1. Pengaruh rasio reduksi terhadap teksturdaD 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 arabtangensial kecil. Karena bidang basal menata diri kearab gaya kompresi maka tekstur basal ke arab radial.Pada reduksi dinding dan diameter sama besar makagaya kompresi beroperasi ke arab tangensial dan radialmaka tekstur basal tersebar ke arab radial dan tangensial.Tekstur ini juga disebut tekstur serat basal. Pada reduksidinding lebih kecil dan reduksi diameter lebih besar(RW/RD <1) maka gaya kompresi ke arab tangensial dantekstur yang terbentuk adalah basal ke arab tangensial.

Tabung Zircaloy-4[8] dengan komposisi sebagaiberikut : Zr 1,20-1,7%Sn O,12-0,18%Fe O,O5-0,15%CrO,OO7%Ni

Fabrikasi Tabung Zircaloy-4Dilakukan penempaan pertama pada ingot

kemudian dilakukan 13 quenching atau aniling danselanjutnya dilakukan penempaan kedua. Setelahpenempaan kedua dilakukan ekstrusi dan diikutiperlakuan panas. Langkah selanjutnya dilakukanpelubangan tabung (tube-hollow). Setelah langkah ini,dilakukan Rocking dan perlakuan panas. Langkahterakhir pembentukan tabung kelongsong. Diskripsisampel tercantum pada tabel-l.

Penentuan TeksturTekstur ditentukan dengan teknik difraksi sinar-

X. Teknik ini berdasarkan difraksi sinar-X kisi kristal.Difraksi tersebut berdasarkan hukum Bragg, bahwapanjang gelombang sinar-X (A) sebanding dengan jarakantar kisi (d) dan sudut difraksi (0). (nA = d sin 0, nadalah suatu order). Intensitas tekstur ditentukanberdasarkan intensitas relatif antara sarnpel yang diukurterhadap sarnpel random. lntensitas yang dimaksud

Tabel1. rikasi tabunKODE DEFORMASI, IL D ,

op % op %

1350

REKA VER KETERANGANI Jam I op

Reduksi + tarikReduksi + tarik

Reduksi

Tabel 2. Tekstur. rasio r an an, korosi. dan kekuatan tarik tabun zircaKODE. I (0002h/(0002)R R KOROS!. G/cm"

I 0,94

lov-4

108,12,07 0,84 22,2 80,3

UTS= kekuatan tarik mak;i;~m, R = rasio kontraksi re9~ngan ( reduksi diameterlt~ngensial)

119~ 2fJ J~ 2000

T~~~H~F~~

ke arab radial, untuk tekstur basal serat distribusiregangan random dan untuk tekstur basal tangensialdistribusi regangan tangensial. Pada tekstur basal radialperubahan diameter lebih kecil jika dibandingkan denganperubahan dinding, yang berarti (R ) nya lebih besar.Pada tekstur sifat perubahan diameter sama denganperubahan moiling, yang berarti (R ) nya mendekati satu,dan pada tekstur basal tangensial perubahan diameterlebih besar jika dibandingkan dengan perubahan dinding,yang berarti (R )nya lebih kecil. Pada deformasi inisinkron dengan data pada Tabel-2, kenaikan koefisientekstur berbanding terbalik dengan rasio kontraksi (R ).Rasio kontraksi sebesar 0,84 mempunyai koefisientekstur sarna dengan 2,07 dan rasio kontraksi (R ) sebesar3,5 mempunyai koefisien tekstur sarna dengan 0,29.

p..,..., kutW100)2)

E... Regenga"I DknonaiTBbung,i--Qebma..

""t _no...

0.

AD

~'c--,~>1

~ o~;J [W~I!I.,f,

i,.-x..,.x~,'R,

AU

~'.

0.,R.--~,--~.-<1Ro

@

'n @I[~=a"'-" ~ < I"

"

~.,

Gambar 2. Pengaruh rasio reduksiterhadap tekstur dan distribusi regangan

Kekuatan tarikKekuatan tarik juga sinkron dengan koefisien

tekstur. Pada Tabel-2, koefisien tekstur sebesar 0,29mempunyai kekuatan tarik 108,1 ksi dan koefisientekstur sebesar 2,07 mempunyai kekuatan tarik 80,3 ksi.Jadi kekuatan tarik sebanding dengan tekstur basaltangensial.

Korosi HidridKorosi hidrid sinkron dengan koefisien tekstur.

Pada Tabel-2,. Koefisien tekstur 2,07 mengalami korosihidrid sebesar 22,28 g/dm2 sedangkan koefisien tekstur0,29 mengalami korosi hidrid sebesar 29,2 korosi hidridmengarah pada tekstur basal. Ada perbedaan padategangan hidrid. Tegangan hidrid arab tangensial lebihbesar jika dibandingkan dengan tegangan hidrid arabradial. Jadi kecenderungan hidridasi lebih mudah kearahradial.

KESIMPULAN

2.

3

4.

Pengaruh Proses Pada TekYturDari Tabel-2 terlihat babwa dengan adanya

perbedaan jalur proses maka dihasilkan tekstur yangberbeda. Sarnpel B2 mengalarni proses beta quenchingsedangkan sarnpel C 1 tidak mengalarni proses betaquenching. Koefisien tekstur B2 lebih besar daTi padaCl, berarti tekstur basal ke arab tangensial lebih besarpada sarnpel B2. Perbedaan ini dapat dimengerti babwarasa beta zirkonium memiliki struktur kristal BCC.Sistem kristal BCC mempunyai sirnetri lebih banyak jikadibandingkan dengan HCP. Penataan tekstur akibatdeformasi tergantung pada arab gaya eksternal. Jadipada rasa beta lebih banyak bidang kristal yang tertata kearab tangensial dibandingkan dengan rasa alfa clansebagai akibatnya setelab rekristalisasi menjadi rasa alfamaka tekstur basal ke arab tangensiallebih banyak.

Sarnpel C I dan A6 melalui perbedaan caradeformasi. Sarnpel C 1 dideformasi dengan caragabungan reduksi clan tarik, sedangkan sarnpel A6 dideformasi dengan cara reduksi. Pada proses penarikantekstur yang terbentuk adalab tekstur serat yaitu teksturbasal terdistribusi secara random diantara tangensial danradial, sedangkan pada proses reduksi tekstur yangterbentuk tergantung deformasinya. Karena sarnpel C Idan A6 mengalarni deformasi yang sarna maka pastisarnpel Cl mempunyai tekstur basallebih banyak jikadibandingkan sampel A6.

Pada proses aniling tekstur basal tidak banyakmengalarni perubahan. Pada sarnpel A6 clan D 1perbedaannya terletak pada proses aniling. Pada sarnpelA6 setelab proses aniling, dideformasi clan direkaver,sedangkan pada sarnpel D 1 hanya mengalarni prosesaniling. Proses deformasi dan rekaver pada sampel A6menurunkan tekstur basal tangensial.

5.

Jalur fabrikasi zircaloy-4 menentukan tekstur produkKoefisien tekstur terbesar dicapai pada jalurrektristalisasi (aniling)Rasio kontraksi regangan (R ) berbandifng terbalikdengan koefisien teksturKorosi hidrid berbanding terbalik dengan koefisienteksturKekuatan tarik berbanding terbalik dengan koefisienteksturTerhadap sifat bahan tekstur basal lebih baik jikadibandingkan dengan tekstur basal radial

6.

DAFTAR PUSTAKA

[1],Rasio Regangan

Rasio regangan kontraksi (R ) adalah rasioreduksi diameter terhadap reduksi dinding pada saat ujitarik. Pada deformasi tabung zirkaloi diperoleh tigakarakteristik pola tekstur deformasi dan distribusiregangan. Untuk tekstur basal-radial distribusi regangan

LAMBBERT, J.B.D, Oxide fuels, in CAHN R.W.,HANSEN P., and KRAMER E.J., MaterialScience and Technology, cat 10 A, VHV VerlagsGesellschagt mbH, P 121.KNODLER, D., RESCHKF, S., ANDWIDINGER, H.G., Technology of ZirconiumAlloysfor Cladding Tabungs of Water Cooled Fuel

[2].

~ zg J~ ZOOO120

T~~~H~F~~

[6].

[3].

[7].

[4].[8].

PICKLESIMER, M.L., Deformation, Creep, andFracture in Alpha-zirconium Alloys, Sysmposiumon Zirconium its alloys, electrochemicaltechnology, July-August, 1966,289-300GUILLAUME, M.J., BEAUVAIS, C., HOCHEIDB., Texture and formability of titanin andzirnocium sheets, ICOTOM G, september 28 /October 3,1981,975MILLER, G.L., Zirconium, 2nd ed, Butter Worths,London, 1957, P 240[5].

Assemblies, Carl Haser Verlag, Muchen, 1987,255-265KAUFMANN, A.R. and MAGEL, T. T., PhysicalMetallurgy of Zirconium and Its Alloys, inOSTMAN, B and KERZE, FJ.R, The Metallurgyof Zorconium, 1 st ed, Mcgraw Hill, New York,

1955,406-416WOOD, C.R., Properties of Zircaloy-4 Tubing,WAPD-TM- 585 -1966TENCKHOFF E., Deformation Mechanisms,Texture, and Anisotropy in Zirconium andZircaloy, 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:, Fasa yang dominan dalam produk adalah rasa alfa. Di dalam fabrikasi dapat melalui jalur ~ quenching dantanpa ~ quenching. Hasil pengukuran tekstur menunjukkan (tabel-2) bahwa koefisien rasio tekstur(001 )T/(OO I)R lebih besar yang melalui jalur ~-quenching.

121~ zg J~ zooo