Click here to load reader

PEMECAHAN, PENGGABUNGAN DAN DIFUSI PADA fileFabrikasi mencakup proses metalurgi serbuk yaitu : pencampuran serbuk U]Si2 dengan serbuk aluminium, pengepresan, pemanasan pada temperatur

  • View
    229

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of PEMECAHAN, PENGGABUNGAN DAN DIFUSI PADA fileFabrikasi mencakup proses metalurgi serbuk yaitu :...

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PEMECAHAN, PENGGABUNGAN DAN DIFUSI PADA INTIELEMENDAKAR U3Si2 -AI AKIBAT PROSES METALURGI SERBUK 1

3Anthonius Sitompul 2 daD Mardjono Siswosuwarno

ADSTRAK,PEMECAHAN, PENGGABUNGAN DAN DIFUSI PADA INTI ELEMEN DAKAR U]SIz -AL AKIDAT PROSES

METALURGI SERDUK. Pusat Elemen Hakar Nuklir -Hadan Tenaga Atom Nasional telah membuat pelat elemen bakar dipersiU]Si2 -AI dengan beberapa variasi"tingkat muat, yaitu : 3,6 ; 4,2; 4,8 dan 5,2 gU/cm]. Fabrikasi mencakup proses metalurgi serbukyaitu : pencampuran serbuk U]Si2 dengan serbuk aluminium, pengepresan, pemanasan pada temperatur 415 DC selama 30 menit sertapengerolan panas dan dingin dan diakhiri proses anil pada 425 DC selama 60 menit. Penelitian ini mengamati efek-efek fabrikasi sepertipecahnya partikel, aglomerasi dan difusi khususnya pada inti elemen bakar. Pengamatan struktur mikro inti elemen bakar dilakukandengan menggunakan Mikroskop Optik dan Scanning Electron Microscope. Fasa-fasa diidentifikasi dengan difraksi sinar-X clanpenetuan komposisi rasa tersebut dengan Energy Dispersive Spectrometer yang terpasang pada SEM. Hasil pengarnatan menunjukkanporositas bersumber dari adanya rongga-rongga pada aglomerasi serbuk U]Si2 dan retakan serbuk/partikel U]Siz. Pada suatu daerahyang kecil di inti elemen bakar ditemukan pencairan setempat partikel U]Si2. Pencairan setempat ini menyebabkan segregasi komposisi,sehingga pada batas butir kadar uranium sangat tinggi, lebih dari 80 % atom dan di tengah butir terdapat paduan U-Si dengan kadar Siyang tinggi yakni U]Si5 dan USi2. Partikel U]Si2 bereaksi dengan matriks aluminium terutama di pinggir dan di celah retakan partikelU]Si2. Fasa basil reaksi adalah U(AI,Sihdan U(AI,Sih.

ABSTRACTFRACTURE, AGWMERATION AND DIFFUSION ON THE MEAT OF FUEL ELEMENT U3SIz -AL CAUSED

BY POWDER METALLURGY PROCESS. Nuclear Fuel Element Center -National Atomic Energy Agency has made dispersionfuel elements U3Siz-Al with loading variation: 3,6 ; 4,2 ; 4,8 and 5,2 gU/cm3. The fabrication proses includes powder metallurgytechnique, that is: blending ofU3Siz powder with aluminium powder. pressing, heating at 415 DC for 30 minutes, hot and cold rolling,and annealing process at 425 DC for 60 minutes. This experiment is to investigate the effect of fabrication on fuel properties such asfracture, aglomeration and diffilsion particularly in the meat of fuel plate. Optical Microscope and Scanning Electron Microscope areused to study the microstructure. The Phases present are characterized by X-Ray Diffractometer. Phases composition are measured by

using Energy Dispersive Spectrometer. Porosities are caused by the existence of voids in U3Siz powder agglomeration and cracks ofU3Siz particles. Locally, in a small region in the meat there are incipient melting of U3Siz particles. Incipient melting causes segregationof composition. At grain boundary, the uranium content is high, more than 80 atomic percent and within the grains there are U-Si alloywith high Si content such as U3Sis and USiz. U3Siz particles react with aluminium matrix, mainly in the edge and cracks of U3Sizparticles. The resulting phases are identified as U(Al,Sih and U(Al,Si)3.

sampai diperoleh pelat elemen bakar dengandimensi panjang 693,5 rom, lebar 70,75 mmdan tebal 1,30 rom. Selanjutnya dilakukanproses anil pada temperatur 425 DC selama 60menit.

PENDAHULUANPusat Elemen Bakar Nuklir -BAT AN

telah membuat serbuk paduan uranium silisida(U3Siz) dengan cara peleburan pacta komposisi7,29 % Si dengan basil yang cukupmemuaskan. Kemudian dengan peralatan yangsarna seperti dipakai untuk pembuataan pelatelemen bakar U3Og-Al, telah dapat dibuat pelatelemen bakar dispersi U3Siz-Al dengan variasitingkat muat yaitu : 3,6 ; 4,2; 4,8 dan 5,2gU/cm3 [I). Pelat elemen bakar dispersi dibuatdengan teknik metalurgi serbuk, yakni denganmendispersikan serbuk U3Siz berukuran 125~m dan 40 ~m pacta matriks serbuk aluminiumyang berukuran 1 0 ~m. Kedua jenis serbukdicampur hingga homogen lalu di pres,hasilnya disebut dengan inti elemen bakar.Kemudian dengan teknik picture and framediberi bahan kelongsong AlMg2. Komposit roltersebut dipanaskan pacta suhu 415 C selama30 menit sebelurn dilakukan beberapa tahappengerolan panas dan pengerolan dingin

Proses fabrikasi tersebut dapat menye-babkan beberapa hal pacta pelat elemen bakar.Pencampuran yang tidak sempuma akanmembuat penggabungan/pengelompokan(aglomerasi) serbuk U3Si2 akibat perbedaandensitasnya dengan serbuk aluminium.Deformasi plastis menyebabkan pengerasanregangan dan retakan. Laju regangan yangsangat tinggi pada daerah yang kecilmenimbulkan proses deformasi adiabatik yangdapat menaikkan temperatur secara lokal.Panas juga dapat timbul akibat gesekan antarapelat dengan alat penerolan [2,3]. Temperaturyang tinggi pada saat deformasi dan pactaproses anil akan memungkinkan terjadinyareaksi difusi antara partikel U3Si2 denganaluminium. Demikian juga rekristalisasi alan

1 Dipresentasikan pacta Pertemuan Ilrniah Sains Materi, Serpong, 22-23 Oktober 1996,2 Pusat Penelitian Sains Materi, Badan Tenaga Atom Nasional.3 Lab. Metalurgi, Jurusan Teknik Mesin, lnstitut Teknologi Bandung.

538

bahkan pencairan setempat dapat terjadi padainti elemen bakar [4,5,6]. Variasi tingkat muatakan menimbulkan efek yang berbeda-beda.Semakin tinggi tingkat muat, proses fabrikasisemakin sulit dan cacat fabrikasi seperti :homogenitas, stray-particle, dog-bone akanmeningkat. Tebal kelongsong akan menipissehingga dapat tidak sesuai dengan disainelemen bakar yang telah ditentukan [7].

DASAR TEORIA.E. Dwight [8] menampilkan

diagram rasa biDer U-Si seperti yang terlihatpada gb. 1 dan diagram rasa isotermal U-Si-Alpada temperatur 400 C (gb. 2).

Tampak bahwa ada tujuh senyawa yangberformulasi sebagai berikut : U3Si, U3Siz, USi,U3Sis, USiz-x, USiz, daD USi3. Sedangkan a, J3dan 'Y adalah notasi alotropi logam uranium.Diagram rasa isotermal U-Si-AI (gb. 2) menun-jukkan rasa-rasa pada temperatur 400 c.

Reaksi yang dapat terjadi antara U3Sizdengan AI adalah :I. U3Siz + 6 AI ~ 3UAIz + 2Si2. U3Siz + 9 Al ~ 3UAI3 + 2Si3. U3Siz + l2 AI ~ 3UAI4 + 2SiReaksi-reaksi di alas terjadi akibat difusidengan mekanisme substitusi karena intielemen bakar (U3Siz daD AI) mengalami prosesdeformasi dan pemanasan sehingga memu-dahkan gerakan-gerakan atom. Proses difusidapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu : I. difusipermukaan, 2. difusi batas butir dan 3. difusivolume. Difusi permukaan lebih cepat terjadidaTi pada difusi batas butir, dan difusi batasbutir lebih cepat dari pada difusi volume, ataudapat dinyatakan dengan : Dp > Dbb > Dv [9].Pada proses difusi jumlah rasa basil reaksisangat tergantung pada temperatur danlamanya waktu reaksi.

CARA KERJASampel diambil daTi pelat elemen

bakar dengan tingkat muat 3,6 , 4,2 , 4,8 dan5,2 gU/cm3. Proses pembuatan pelat elemenbakar ini dilakukan sesuai dengan proseduryang telah diuraikan pada pendahuluan.Pengamatan struktur mikro dilakukan padapenampang transversal, penampang longi-tudinal dan permukaan inti elemen bakardengan cara mengupas salah satu sisikelongsong AIMg2. Potongan-potongan sampeltersebut diampelas, dipoles dan dietsa sesuaidengan standar metalografi yang berlaku [10].Kemudian dilakukan pengamatan denganrnikroskop optik dan scanning electronmicroscope (SEM). Pada penelitian ini yangtemtarna diarnati adalah porositas,pengelompokan serbuk dan rasa-rasa pada intielemen bakar. Fasa-fasa diidentifikasi dengandifraksi sinar-X dan dianalisis dengan metodaHanawalt [11]. Komposisi kirnia rasa-rasaditentukan dengan Energy DispersiveSpectrometer yang terpasang pada SEM.

Gb. Diagram Fasa U -Si [8]

"~,, " " -.DATA DAN PEMBAHASAN

Gb. 3 adalah struktur rnikro intielemen bakar dengan tingkat muat 4,2 gU/cm3daD gb. 4 menunjukkan satu partikel U3Si2

Gb. 2. Diagram Fasa Isotermal U-Si-AI(400C)[8]

539

menunjukkan bahwa retakan tersebut terjadiakibat deforrnasi pada saat pengerolan,terutama pengerolan dingin. Pada matriksaluminium tidak terlihat adanya pori ataurongga. lni berarti serbuk aluminium yanghalus sudah bersatu akibat proses deforrnasidan proses sintering s~at pengerolan panas.

yang pecah. Hasil penelitian Supardjo [12]menyatakan bahwa jumlah porositas semakinmeningkat dengan naiknya fraksi volume atautingkat muat U3Si2. Hal ini terjadi karenasemakin banyak partikeJ U3Si2 yangpecah/retak akibat deformasi. Retakan terjaditegak lurus terhadap permukaan pelat, yang

Struktur mikro IEB dengan tingkat muat 4,2 gU/cm:Gb.3

PartikeGb.4 3Sil yang pcca

540

Gb. 5. Aglomerasi partikelU3Si2

Gb. 6, Pencairan setempat pacta JEB dsengan tingkat muat 3,6 gU/cm'

Gb. 5 diambil daTi mti elcmen bakar dcngantingkat muat 3.6 gU/cm3 menampilkanaglomerasi atau pengelompokan partikel U3Siz.Pada aglomerat tersebut tampak adanya ronggayang terjadi karena tidak tcrisi oleh serbukaluminium yang halus akibat tcrhalangi olch

bentuk pennukaan serbuk yang tidak beraturandan saling mengait. Struktur mikro lain yangteramati adalah seperti yang tampak pacta gb. 6dan gb.7

541

Gb. 7. Pencairan setempat pada IEB dengan tingkat muat 5,2 gU/cm'

temperatur yang tinggi. Akibatnya rasa yangtitik caimya rendah mencair. Hasil pengamatandengan difraksi sinar-X menunjukkan bahwaserbuk U3Siz yang digunakan mengandungrasa-rasa lain yang titik caimya lebih rendahdari titik cair U3Siz. Hal ini mengakibatkanpencairan secara lokal yakni hanya pacta satupartikel U3Siz (gb. 7). Peristiwa lokal. initeramati pacta semua tingkat muat clemenbakar yang diteliti.

Bila diamati struktur tersebut miripsrtruktur yang mengalami rekristalisasisehingga ada dugaan bahwa U3Si2 tersebutmengalami rekristalisasi dinamik saatpengerolan panas. Terlihat adanya strukturmikro dengan butir yang panjang daD sebagiant