SINTESIS PADUAN AIFeNi DEN CAN METODA PELEBURAN

KE DAFTAR ISI ISSN 0854 - 5561

Hasil Hasil Penelitian

EBN Tahun 2005

SINTESIS PADUAN AIFeNi DEN CAN METODA 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

menggunakan

sifat

mekanik

paduan

dilakukan

dengan

pengujian

kekerasan

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

pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi ini maka perlu diantisipasi sifat kekerasan kelongsong yang mampu mengimbangi sifat

bahan bakar maju berdensitas

tinggi guna memperoleh tingkat muat tinggi terus dilakukan, seperti bahan bakar silisida dan molybdenum. Peningkatan relatif tinggi mengakibatkan

kekerasan bahan bakar. Guna mengantisipasi kondisi ini perlu dicari paduan baru sebagai

tingkat muat yang sifat kekerasan inti

alternatif

elemen bakar (fuel core) meningkat sehingga perbedaan kekerasannya dengan kelongsong menjadi relatif besar. Perbedaan kekerasan yang relatif besar ini memungkinkan terjadinya kegagalan dalam proses fabrikasi elemen bakar.

paduan aluminium

pelat kelongsong

bahan

bakar

[1].

Beberapa paduan yang

mendatang, antara lain AI 6061, AIMg3Ni dan AIFeNi bahan

tidak sesuai dengan

spesifikasi yang ditentukan. Kondisi ini dapat dihindari dengan mengurangi perbedaan sifat kekerasan antara inti elemen bakar dan kelongsong

kelongsong

memungkinkan digunakan untuk membungkus bahan bakar berdensitas tinggi dimasa

Kondisi ini dapat diakibatkan oleh dog-boning dan meat yang menyebar melebar kearah sisi kelongsong sehingga ukuran lebar meat di dalam

pengganti

yang sekarang digunakan. Kelongsong bahan bakar yang berfungsi pula sebagai pengungkung gas hasil fisi umumnya dari bahan struktur

berbagai

[2]. Pengkajian dan pengembangan struktur kelongsong dilakukan oleh

pihak

didunia

. seiring

dengan

peningkatan pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi. Pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi dilakukan searah

yang terlalu tinggi. Seiring dengan

87

HasH Hasil Penelitian

dengan kepada rendah

program

ISSN 0854 - 5561

EBN Tahun 2005

RERTR

yang

beroerientasi

penggunaan uranium pengkayaan Kondidi ini merupakan konsekuensi

[3.4].

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 AI

struktur kelongsong paduan AIFeNi dan beberapa negara eropa telah melakukan pengkajian

penggunaan

cladding bahan bakar yang telah dilakukan

AIFeNi

(b) Gambar-1: Diagram fasa paduan AI-Fe-Ni : (a)

sebagai

Berdasarkan kajian menunjukkan bahwa

Cair

[5].

(liquidus)

; (b)

Distribusi

fasa

dalam

bentuk padaf] TATA KERJA

paduan AIFeNi memiliki sifat mekanik dan ketahanan korosi yang relatif lebih baik [5.6J. Penelitian ini akan mengkaji lebih jauh tentang

Proses sintesis paduan AIFeNi dilakukan bervariasi berdasarkan persentase

penggunaan paduan AIFeNi sebagai kelongsong alternatif pembungkus bahan bakar

kadar berat unsur pemadu, yaitu(1 ,5%Fe, 0,5%Ni), (1,5%Fe, 1%Ni), dan (1,5 %Fe, 2%Ni)

berdensitas tinggi dimasa mendatang. Pad a tahap awal ini akan dHakukan eksperimen pemaduan AIFeNi dengan metoda peleburan

dengan teknik peleburan menggunakan tungku busur listrik. Proses kompaksi AIFeNi dilakukan secara mekanik dengan tekanan sekitar 300-350 KN. Penekanan ditingkatkan seiring dengan

menggunakan arc furnace dan karakterisasi sifat paduannya. Berdasakan

meningkatnya diagram

kesetimbangan

dalam

diagram

tersebut

komposisi

paduano

Peleburan AIFeNi dilakukan secara berulang hingga 4 kali pelelehan dan setiap kali

fasa sistem ternary AI-Fe-Ni pad a gambar 1 memperlihatkan bahwa fasa-fasa yang terbentuk

kadar

peleburan ditahan sekitar 4-5 menit. Ingot paduan AIFeNi hasil peleburan sebelum dikenai pengujian sifat mekanik dan uji

sangat

dipengaruhi oleh komposisi paduan dan titik cairnya berbeda pada setiap perbedaan fasa

metalografi dibersihkan

seperti ditunjukkan pad a gambar 1a.

terlebih dahulu permukaannya dan dihaluskan. Permukaan

spesimen

4

AIFeNi

penggerindaan

diratakan

dan dipoles

dengan

secara

bertahap

menggunakan mesin poles. Spesime:n AIFeNi hasH poles kemudian permukaannya dietsa menggunakan memunculkan dilakukan dalam

larutan etsa tertentu untuk mikrostruktur fasa. Pengetsaan

dengan mencelupkan

larutan

etsa

dengan

spesimen

memperhatikan

ketepatan waktu etsa. Kontribusi unsur pemadu (a)

ke

Fe dan Ni

dalam paduan AIFeNi dari (1,5%Fe, 0,5%Ni), (1 ,5%F~, 1%Ni),

dan

(1,5%Fe,2%Ni)

efeknya terhadap sifat mekanik,

diamati

mikrostruktur

dan struktur fasanya. Pengamatan sifat mekanik dilakukan dengan uji kekerasan menggunakan metoda Vicker. Analisis mikrostruktur paduan AIFeNi

88

diamati

dengan

menggunakan

HasH Hasil Penelitian

I SSN 0854 - 5561

EBN Tahun 2005

paduan

perturnbuhan fasa kedua yang semakin tinggi

dengan kadar (1,5%Fe, 0,5%Ni), (1,5%Fe, 1%Ni), dan, (15%Fe, 2%Ni) di analisis melalui

seiring dengan meningkatnya prosentase kadar Ni. Peningkatan fasa kedua yang

topografi mikrostruktur kesetimbangan fasa.

semakin

mikroskop-optik.

Pembentukan

fasa

dan

diagram

paduan

AIFeNi

sifat

pada

akan

berdampak

terhadap

peningkatan kekerasan karena kehadiran fasa kedua tersebut berpotensi merintangi

HASIL DAN BAHASAN pengamatan

tinggi

mekanik

berbagai

paduan dengan metoda Vicker pad a Gambar 2. Pengamatan

pergerakan dislokasi. Pembentukan fasa kedua ini ditandai dengan perubahan struktur

terhadap

butir yang

konsentrasi

sebagian

besar

menjadi bentuk struktur

diperlihatkan mikrostruktur

ditunjukkan pada Struktur butir fasa

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

telah

mengarah

butir dendrit,

seperti

Gambar 3 b dan 3 c. mengalami perubahan dari

bentuk granular pada gambar 3a menjadi bentuk butir dendrit seperti ditunjukkan pada Gambar 3b dan 3c karena sebagian fasa a-AI bertransformasi

menjadi

fasa

Fasa

K.

K

peleburan menggunakan arc furnace. Dari Gambar 2 tampak bahwa paduan AIFeNi

berupa senyawa NiAI3 yang berselsatuan orthorombik bersifat relatif lebih keras dari fasa

mencapai konsentrasi

a-AI. Sementara itu, struktur butir dendrit pad a

kekerasan 52 HV dengan (1,5%Fe, 2%Ni). Hal ini terjadi

karena paduan AIFeNi mengalami

2% Ni relatif lebih kecil daripada butir dendrit pada 1 % Ni, seperti ditunjukkan pad a Gambar 3c. Kondisi struktur butir yang demikian ini

penguatan

larut-padat hingga mencapai sekitar 0,05% kadar Fe dan Ni [7]ke dalam struktur fasa a-AI. Penguatan

memungkinkan memberi dampak terhadap peningkatan penguatan logam. Hal ini karena

larut-padat pada struktur fasa a-AI

terjadi secara substitusi dengan menempati kisi sel-satuan FCC. Proses larut-padat atom Fe dan Ni ke dalam kisi struktur fasa a-AI

struktur

cenderung parameter

yang semakin memperbesar

tegangan

Kondisi

seperti

menghambat mengarah

disekitar ini

atom yang

semakin

'E60 2:50

pula merintangi gerakan dislokasi, yang berdampak terhadap peningkatan kekerasan bahan.

kenaikan

meningkatnya

di atas kekerasan

0,5%

lebih

semakin terhadap

I

I

.- -

! - - - - - 1

~ 20

_____

' ~'" I

L~ __

L

I

I

--

~

I -"I.- -

I

------, I

I

I

L

~

I

I

I .-. - 1-

.1

I

1 __

-!

-- - --

I -1

I •

I

L

...J

I

I

2

2.5

, __

I

T -

pula bahwa

I

I 1

t ----

--- -,

I

I

I

o

. __

I

I

~

r -

-- -

I

I

530 c

0 10

- ,-

.

----T-~---I------·· ______

(j)

-- -- -

I I

Z 40

~

~I -

__ -1

E

senyawa fasa NiAh[7,8J• Senyawa fasa yang yang terbentuk dalam paduan ini berkontribusi

pad a konsentrasi

relatif

banyak akan peranannya

70 ~- - - - - , - - - -

tinggi karena pada konsentrasi ini dimungkinkan terbentuknya fasa kedua hasil reaksi antara Ni dengan AI membentuk

terjadi

kecil

gerakan dislokasi [7].

yang bahan.

Kekerasan paduan AIFeNi dengan 2%Ni relatif

Gambar 1 memperlihatkan

lebih

penghambatan pergerakan dislokasi karena batas butir merupakan rintangan terhadap

larut.

berpotensi

gerakan dislokasi kepada penguatan

yang

banyak butir dendrit dan dengan demikian akan memperbanyak batas butir. Batas butir

mengakibatkan terjadinya distorsi kisi yang berakibat menimbulkan

medan

butir

Q5

-

1

1.5

Kadar N Pada Paduan AIFeNi, %

Ni tampak

dengan

semakin Gambar-2.

kandungan Ni, yaitu menjadi 45

Variasi kekerasan

paduan AIFeNi

dengan kadar Fe tetap terhadap kandungan Ni

HV pad a 1% Ni dan 52 HV pada 2% Ni. Kondisi ini dimungkinkan karena adanya

89

Hasil Hasil Penelitian

Mikrostruktur

EBN Tahun 2005

paduan

AIFeNi

ISSN 0854 - 5561

dengan

bentuk struktur butir dendrit pipih memanjang

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

pada Gambar 3 c. Struktur butir dendrit pad a Gambar 3c relatif lebih kecil daripada struktur butir dendrit yang ditunjukkan pada Gambar 3b.

paduan AIFeNi

Penghalusan butir terse but dimungkinkan karena dipacu oleh kadar Ni yang semakin tinggi

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

yang berdampak terhadap peningkatan

dalam paduano Energi dalam paduan yang tinggi mendorong percepatan pengintian butir, sehingga butir dendrit yang terbentuk semakin banyak dan relatif kecil. Struktur butir fasa K

batas butir karena energi pada daerah batas butir relatif tinggi daripada di daerah butir, sehingga

menyebabkan

daerah

batas

energi

butir

dalam bentuk dendrit yang memanjang tersebut relatif lebih dominan pada mikrostruktur

menjadi lebih reaktif daripada di butir. Energi pad a batas butir relatif tinggi karena batas butir adalah daerah yang sangat tidak stabil dan

1,5%Fe,2%Ni seperti tampak pada Gambar 3c.

batas butir merupakan daerah pertemuan kristalkristal 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 larutpadat fasa a-AI. Mikrostruktur

paduan

AIFeNi

dengan

kadar 1,5%Fe,1 %Ni yang ditunjukkan pada Gambar 3 b memperlihatkan pertumbuhan struktur

butir

meningkat.

fasa

Gambar

cenderung

K

3

b

semakin

memperlihatkan

kecenderungan pe:ubahan struktur butir dari bentuk granular ke bentuk dendrit yang memanjang. Perubahan fasa dalam bentuk struktur

butir

dendrit

ini diperkirakan

20

terjadi

11m

Gambar-3.a.: Struktur mikro paduan A11,5%Fe 0,5%Ni

seluruhnya, seperti diperlihatkan pada Gambar 3b. Peningkatan pembentukan struktur butir denrit ini terjadi karena jumlah kadar unsur Ni dalam

paduan

akibatnya unsur membentuk bertambah.

semakin

meningkat.

Sebagai

Ni yang bereaksi dengan AI

senyawa Kondisi

NiAI3 menjadi ini ditandai

semakin dengan

pertumbuhan struktur butir dendrit fasa semakin besar, Gambar 3 b.

seperti

Mikrostruktur

diperlihatkan

paduan

AIFeNi

K

yang pada

dengan

kadar 1,5%Fe,2%Ni yang ditunjukkan pada Gambar 3c memperlihatkan bahwa struktur butir granular

dan dendrit relatif berkurang

100 f.lm

karena

bertransformasi membentuk struktur butir pipih memanjang. Struktur butir fasa K semakin meningkat seperti tampak secara jelas dalam

Gambar-3.b.:Struktur 1%Ni

90

mikro paduan A11,5%Fe,

I SSN 0854 - 5561

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.

100llm

3. TRAVELLI, Gambar 3.c.:Struktur mikro paduan A11,5%Fe, 2%Ni

RERTR Program, Proceedings, The 19 th International Meeting on Reduced Enrichment for Reseach and Test Reactors,

KESIMPULAN

Seoul, Korea, page 4-8, 1996.

Kekerasan

paduan

AIFeNi

dengan

4. DAVID, G.H., United States Policy Intiatives

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, Kekerasan paduan AIFeNi dengan

in

1%Ni). kadar

The

RERTR

Program,

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

Kekerasan paduan AIFeNi terjadi peningkatan dengan semakin meningkatnya kadar paduano sekaligus terjadinya

Horowitz Reactor Project to Achieve High Flux Performances and High Safety Level.

perubahan mikrostruktur akibat semakin tinggi kadar paduano Mikrostruktur paduan AIFeNi

7. MONDOLFO, L.F, Aluminium Alloys, Structure and Properties, London, 1976

dengan

8. PETZOW, G.,

kadar

kekerasan ini adanya kaitan

Promoting

Proceedings, The 19 th International Meeting on Reduced Enrichment for Research and

(1,5%Fe, O,5%Ni), dan (1,5%Fe, 1%Ni), yaitu masing-masing berkisar 39 HV dan 45 HV.

Peningkatan menunjukkan

A, Status and Progress of The

(1,5%Fe,

O,5%Ni)

relatif

didominasi oleh struktur butir berbentuk granular

EFFENBERG,

Alloy AIFeNi, Vo1.15, International, 1992.

dan sedikit butir dendrit yang mu!ai tumbuh pada batas butir. Mikrostruktur AIFeNi dengan

G., Ternary

Germany:

ASM,

9. HAKKA, Manual Dendrite Arm Spacing, DAS Measure.

(1,5%Fe, 1%Ni ) berbentuk butir dendrit yang cenderung membesar. Mikrostruktur AIFeNi

91

HasH Hasil Penelitian

ISSN 0854 - 5561

EBN Tahun 2005

LAMPI RAN Tabel-1: Dimensi spesimen hasil proses kompaksi dan peleburan Spesimen 3015 22 2Hasi lebur Tebal, mm Diameter, mm 1,5%Fe, 1 %Ni 1,5%Fe,O,5%Ni Diameter, mm Berat, Hasil Kompaksi gr No.

Tabel-2: Butir dendrit dan kekerasan spesimen paduan AIFeNi hasH peleburan 45 38,3 52,1 51,56 Komposisi 1,5%Fe,O,5%Ni Paduan Kekerasan,HV Aluminium Ukuran 5,13 N/mm" butir dendrit, !-1m 68,8 1,5%Fe, 21 %Ni

No.

Perhitungan Dendrite Arm Spacing (DAS) Perhitungan struktur butir dendrit pada mikrostruktur hasil peleburan dengan mengunakan Besar butir dendrit dihitung dengan persamaan metode Dendrite Arm Spacing Secondary(DASS)19J• berikut.

d=

_1_+_l2_+~

( nl I 1 -

n2 . -

1

~+-'1m I-1 n;

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 13=

12,36 mm, n2= 6 12,56 mm, n3= 6

m=

3

12=

d=

?

8-1 d=C8,95

6-1 + 12,56)13 6-1 + 12,36

755 + 12,36 + 12,56)13 d=C8,95 d =(2,707 + 2,472 + 2,512)13 d = 7,691 3 d = 2,5636 mm Pembesaran pada mikroskop optik sebesar 500x jadi:

d = 2,5636 500 d = 0,00513 mm d=5,13,wn

92

J

I SSN 0854 - 5561 2.

Gambar I, : 20,72 12: 20,35 13: 25,93

Hasil Hasil Penelitian

EBN Tahun 2005

3b: paduan AI1 ,5%Fe, 1%Ni mm n,: 4 mm n2: 5 mm n3: 4

m: 3

d:

?

4-1 d:(20,72

5-1 + 25,93)13 4-1 + 20,35

d{20,723

4 + 25,93)13 3 + 20,35 d:(6,906 + 5,0875 + 8,643)/3

d:20,637 3 d:6,88mm Pembesaran gambar mikrostruktur 100X, jadi:

d: 6,88mm 100 d:0,0688 mm d :68,8 Jml 3.

Gambar 3c: Paduan AI1,5%Fe, I, : 14,09 mm

n,: 4

12: 14,76 mm 13:17,56mm

n2 : 4 n3:4

m: d:

2 %Ni

3 ?

4-1 d{14,09

4-1 + 17,56)13 4-1 + 14,76

d{14,09333 + 14,76 + 17,56)13 d :(4,696 + 4,92 + 5,853)/3 d:15,469 3 d:5,156mm Pembesaran gambar mikrostruktur 100X, jadi:

d: 5,156 100 d:0,05156mm d :51,56 Jml

KE DAFTAR ISI 93