Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Balmr 2009Serpong, 13 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

PENGARUH HEAT TREATMENTTERHADAP KETAHANAN KOROSI

PADUAN Zr-l %Nb-O,5%Sn-O,5%Fe

Andi Chaidir

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir

ABSTRAK - PENGARUH HEAT TREATMENTTERHADAP KETAHANAN KOROS! PADUAN Zr-I%Nb­0,5%Sn-0,5%Fe. Telah dilakukan penelitian berupapengujian ketahanan korosi paduan Zr-I %Nb-0,5%Sn­0,5%Fe. Dari penelitian ini diharapkan dapat diperolehpaduan zirkaloi baru yang akan digunakan sebagaikelongsong elemen bakar nuklir. Adapun sasaran penelitianini adalah perolehan data sintesis peleburan Zr-I %Nb­0,5%Sn-0,5%Fe. Paduan ini dibuat dengan mencampurkankonstituen serbuk paduan 2x30 menit lalu dikompaksi padatekanan 1,2 ton/cm2 maka diperoleh pelet. Pelet tersebutdilebur dengan menggunakan tungku peleburan (tungkubusur listrik tunggal) kemudian dilakukan pemanasan danpendinginan cepat (quenching dalam air, suhu awal 1050 DC,

sampel kemudian dipotong dengan pisau intan (diamondblade) dengan ukuran 5x2xl 0 mm. Selanjutnya sampel dianilselama 2 jam pada suhu 500 DC, 600 DC, 700 DC dan 800De.Uji korosi yang dilakukan dengan metode potensiodinamikmemperlihatkan hasil yang berbeda untuk setiap perlakuanpanas yang diberikan. Hasil yang diperoleh adalah bahwaheat treatment yang diberikan pada paduan Zr-l %Nb­0,5%Sn-0,5%Fe berpengaruh terhadap arus korosi maupunlaju korosi paduanoLaju korosi yang terendah diperoleh saatpemanasan dilakukan pada suhu 800 DC

Kata Kunci : Zircaloy, heat treatment, laju korosi

ABSTRACT - THE EFFECT OF HEAT TREATMENT OF

Zr-I%Nb-O,S'YoSn-O,S%Fe ON ITS CORROSION

RESISTANCE. The research on determination of corrosioncharacter of Zr-I%Nb-O,S'YoSn-O,S%Fe has been done. 1t is

hope that a new zircalloy formed can be used for nuclear filelelement cladding. The objective of this research is to gaincorrosion rate data on melting synthesization of Zr-1%Nb­O,S'YoSn-O,S%Fe. Zircaloy powder was formed by mixing thementioned constituents along 2x30 minutes and compactedon the pressure of 1,2 tonlem2 then was melted in a single arcfiLrnace upto 10S(f'C and quenched in water. Afterquenching, the sample was cut using a diamond blade toobtain some samples of sizes of Sx2xIO mm. The sampleswere subsequently annealed for 2 hours at temperature ofSOO DC, 600 DC, 700 DC and 800 DC. Corrosion tests were

carried out by using potentiometer dynamic method. Thedifferent results were shown from the each of heat treatmentprocess. The heat treatment on Zr-1%Nb-0,S'YoSn-0,5%Fealloy has influenced the corrosion current and corrosion rateof the specimens. The lowest corrosion current and corrosionrate was found when heat treatment carried out at 800 DC.

Key words: Zircaloy, heat treatment, corrosion rate

B-60

I. PENDAHULUAN

Dalam industri nuklir, paduan zirkaloy telahdigunakan cukup luas. Zry-2 misalnya digunakanuntuk reaktor air mendidih (BWR) dan Zry-4 untukair bertekanan (PWR) dengan temperaturekelongsong masing-masing 349 DC untuk PWR dan390 DC untuk BWR [1]

Zirkaloi saat ini masih dikembangkan sebagaibahan struktur dan ke1ongsong pada reaktor airbertekanan (PWR). Pengembangan bahan strukturdan kelongsong bertujuan untuk mendapatkan bahandengan ketahanan korosi dan kekuatan mekanik yangtetap baik pada saat iradiasi di reaktorI2] •

Zirkonium memiliki tampang lintang serapannetron termal yang rendah yaitu 0,180 barn, titiklebur tinggi (1850 DC, kekuatan mekanik tinggi padasuhu tinggi, daya tahan korosi terhadap air dan uapair serta keberadaan dan kelimpahan di alam cukupbesar.

Telah disintesa paduan[3] Zr-Sn-Nb-Fe dandiperoleh hasil haduan yang baik yaitu tidak adaporositas, mampu quenching dan mampu rol. Paduanmulti komponen Zr-Sn-Nb-Fe dikembangkan untukbahan kelongsong dan bejana bertekanan yang tahankorosi.

Biasanya zirkonium yang digunakan ini dipadudengan unsur lain sehingga memberikan sifat-sifatyang lebih baik seperti diinginkan[4]. Beberapa halyang harus dipertimbangkan dalam menentukanbahan kelongsong adalah sifat fisis , tampang lintangserapan neutron yang rendah, kekuatan mekanik yangstabil pada tekanan dan temperatur tinggi, ketahanankorosi pada temperatur tinggi, ketahanan terhadapkerusakan akibat radiasi dan mudah difabrikasi.

Dalam rangka memperbaiki efisiensi daya darisuatu elemen bakar maka perlu kiranyameningkatkan derajat bakar elemen bakar reaktordaya. Diharapkan derajat bakar elemen bakar reaktordaya dapat ditingkatkan hingga 70 GWdit[5].

Dengan demikian selain peningkatan efisiensidaya juga dapat dilakukan peningkatan kualitaske1ongsong. Untuk merealisasikan maksud tersebutmaka diperlukan perbaikan kualitas ke1ongsongdengan cara pengembangan bahan kelongsong barudan dilakukan karakterisasi ketahanan korosi.

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

TABEL I. PENGARUHPERLAKUANPANASTERHADAPLAJUKOROSIDANARUSKOROS!PADUANZR-I %NB-0,5%SN-0,5%FE

A. Hasil

Laju Korosi dan arus korosi paduan Zr-l %Nb­0,5%Sn-0,5%Fe pada perlakuan quench danpemanasan 500°C, 600 °C, 700°C dan 800°Cditunjukkan pada tabel 1, gambar 1 dan gambar2.

Plot TafelTapolPlot Tafel

Tapol LKI corrPerlakuan

LK ij!AlCm2)I corr

Panas (mpy)(mpy)

(J.1A1Cm2)

Ouench

91986919.9618.87Pemanasan

4,744,7310,2810,27500 °CPemanasan

6,486,414,0713,90600 °C

Pemanasan3,81

3,428,287,43700 °CPemanasan

3,223,116,996,76800 °C

sampel kemudian dipotong dengan pisau intan(diamond blade) dengan ukuran 5x2xl0 mm.Selanjutnya sampel dipanaskan selama 2 jam padasuhu 500°C, 600 °C, 700°C dan 800°C. Uji korosidilakukan dengan metode potensiodinamikmenggunakan alat potensiostat. Benda uji yang telahdiamplas sampai halus dengan amplas grid 550diexposure selama 3 menit. Elektroda pembantu yangterbuat dari karbon yang tidak terkontaminasi ion-iondalam elektrolit dipasang disusul denganmemasukkan elektroda reference

Ke dalam sel korosi yang berisi air demin. Selkorosi kemudian dihubungkan dengan potensiostatdan pengolah data. Laju dan arus korosi baik denganmetode plot tafel maupun dengan polarisasi resistensdapat diketahui.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

BOOoC700 oC6000C

suhu Pemanasan

= Laju Korosi= Tahanan Polarisasi

Suhu Pemanasan Vs Laju Korosi

Quench on 500 oC

EJPlot Tafel I Laju Korosi (mpy)

-;:10<:>

E 8

.;;; 6o:; 4

~2=>

.;;;0-'

Gambar 1. Pengaruh SOOuPemanasan Terhadap laju korosiPaduanZr-1 %Nb-O,5%Sn-0,5%Fe

Ket: LK

Tapol

II. TEOR!

Salah satu paduan zirkaloi yang dikembangkansebagai kelongsong alternatif adalah paduan Zr-l %Nb­0,5%Sn-0,5%Fe. Paduan ini dapat dibuat denganmencampur serbuk zirkonium (Zr), Niobium (Nb),Stannum (Sn) dan besi (Fe) dengan prosentase berattertentu sampai homogen kemudian dikompakkan dandilebur dalam tungku busur listrik tunggal.

III. METODOLOGI

Ditimbang Zr seberat 29,4 gr. Ditambahkanberturut-turut nb 0,3000 gr, Sn 0,1500 gr, Fe 0,1500 grlalu dihomogenisasi dengan cara mencampur danmengaduk selama 2x30 menit lalu dikompaksi padatekanan 1,2 ton/cm2. Pelet yang diperoleh dileburdengan menggunakan tungku peleburan (tungku busurlistrik tunggal). Kemudian dilakukan pendinginancepat (quenching dalam air, suhu pemanasan 1050 0c)

CR(mpy) = 0,13. Icorr' EW/(A.d)Dimana :

CR = Corrosion rate (mpy)Mpy = mili-inchi peryearA = luas permukaan (cm2)d = densitas (gram/cm3)

EW = Berat ekuivalen (gram/ekivalen)0,13 = faktor konversiI Corr = Arus korosi (~A/cm2)

A. Paduan dan Perlakuan Panas

Paduan ZrNbSnFe tersusun atas : Zr 98%, Nb 1%,Sn 0,5% dan Fe 0,5%. Untuk homogenisasi pemadudigunakan metode pemanasan dan pendinginan cepat.

Kelarutan unsur pemadu dalam fasa -~ zirkoniumbesar. Unsur pemadu dalam ingot zirkaloikemungkinan tidak homo gen. Untuk melarutkan unsurpemadu dan untuk homogenisasi, ingot dipanaskanpada temperatur fasa -B zirkonium, yaitu padatemperatur antara 1000 - 1050 °C yang diikutipendinginan cepat (quenchingi6J•

B. Uji Korosi Teknik Elektrokimia

Korosi secara umum didefinisikan sebagaikerusakan suatu bahan material akibat reaksi denganlingkungan atau lepasnya elektron dari bahan material(logam) tersebut ke lingkungan serta terjadipembentukan produk korosi yang berupa oksida logamtersebut. Uji korosi paduan Zr-l %Nb-0,5%Sn-0,5%Fedapat dilakukan dengan menggunakan TeknikElektrokimia . Salah satu teknik dalam penentuan lajukorosi yang umum dilakukan orang adalah denganmenggunakan sel elektrokimia (sel tiga elektroda).Metode ini dilakukan dengan cara pemberian potensialpada benda uji sehingga akan terjadi korosi yangdimulai dari reaksi katodik hingga reaksi anodik. Lajukorosi dapat dilakukan dengan potensiodinamik yaitudengan Plot Tafel maupun tahanan polarisasi. Hargalaju korosi dapat dikatahui dengan memasukkan hargaI Corr ke dalam rumus seperti tertera berikut ini[7J:

B-61

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktober 2009

Suhu Pemanasan Vs Arus Korosi

ISSN 1693-4687

korosi terlihat pada tabel 1 adanya hubungan antaralaju korosi dengan arus korosi yakni semakin besararus maka laju korosipun bertambah . ltu bemrti lajukorosi berbanding lurus dengan arus korosi. Hal itudapat dilihat pada persamaan berikut :

CR(mpy) = 0,13. Icorr' EW /(A.d).

Luas permukaan butir semakin besar sehinggamenyulitkan terjadinya dislokasi.

Gambar2. PengaruhSuhu Pemanasanterhadaparus korosipaduanZr-l%Nb-O,5%Sn-O,5%Fe

B. PEMBAHASAN

Pada tabel 1 nampak adanya pengaruh pemanasanterhadap laju korosi dan arus korosi. Paduan Zr-l %Nb­0,5%Sn-0,5%Fe yang diquench tanpa anilmeinperlihatkan laju korosi yang cukup tinggi yakni9,19 mpy (plot tafe!) dan 8,69 mpy (tahananpolarisasi). Laju korosi paduan hasil quench yangdianil pada suhu 500°C mengalami penurunan 4,74mpy (plot Tafel) dan 4,73 mpy (tahanan polarisasi).Laju korosi paduan hasil quench yang dianil pada suhu600°C mengalami kenaikan yaitu 6,48 mpy (Plot tafe!)dan 6,4 mpy (tahanan polarisasi). Laju korosi paduanhasil hasil quench yang dianil pada suhu 700°Cmengalami penurunan yaitu 3,81 mpy (Plot Tafel) dan3,42 mpy (tahananpolarisasi) Laju korosi paduan hasilquench yang dianil pada suhu 800°C mengalamipenurunan yaitu 3,22 mpy (Plot Tafel) dan 3,11 mpy(tahanan polarisasi). Naik dan turunnya laju korosipada paduan Zr-l %Nb-0,5%Sn-0,5%Fe boleh jadidisebabkan karena terjadinya perubahan tegangan sisa.Sementara tegangan sisa dipengaruhi oleh perlakuanpanas yang diberikan. Perbedaan perlakuan panas yangdiberikan dapat menimbulkan perbedaan kemampuanterdifusinya atom apakah terdifusi atau tersubstitusi

Naik dan turunnya laju korosi pada prinsipnya dapatdipengaruhi oleh terbentuknya fase kedua yangmungkin tel' bentuk pada permukaan bahan. Juga ikutberpengaruh elektronegativitas atau potensialkomponan penyusun bahan terse but. Adapun arus

EJ Plot Tafel 0 Tahanan Polarisasi

Quench on 500 oC 6000C

Suhu Pemanasan

700 oC 800 oC

B-62

V. KESIMPULAN

Uji korosi dilakukan dengan metodepotensiodinamik memperlihatkan hasil yang berbedauntuk setiap perlakuan panas yang diberikan . Hasilyang diperoleh adalah bahwa heat treatment yangdiberikan pada paduan Zr-l %Nb-0,5%Sn-0,5%Feberpengaruh terhadap arus korosi maupun laju korosipaduano Laju korosi yang terendah diperoleh saatpemanasan dilakukan pada suhu 800°C. Adapun lajukorosi yang di peroleh menunjukkan adanyahubungan yang berbanding lurus dengan arus korosi

DAFTARPUSTAKA

[I] LAMBERT, 1.D.B., and STRAIN, R., "Oxide fuels",Vol. lOA, Materials science and Technology, VHC,p.121, Germany,.

[2] SUGONDO, Pengaruh Perlakuan Panas PadaRegangan dan Tegangan Sisa Paduan Zr-I %Sn­I%Nb-I%, Jumal Teknologi Bahan Nuklir, Vol. 3No.2, ha162, ISSN 1907-2635,Juni 2007.

[3] Thomazet, J., and FRAGEMA, "Zirconium alloyCorrosion Behaviour and Development'" TechnicalCommittee on Fundamental Aspects of Corrosion ofZirconium Base Alloys in Water ReactorEnvironments, pp. 249-256, IAEA, Portland, 11-15September, 1989.

[4] SIGIT, "Bahan Dukung dan Struktur", DiklatTeknologi Industri Bahan Bakar Nuklir, hal. II,Serpong, 10-26Juli 1995.

[5] HARBOTTLE,1.E.,and STASSER, A.A., 1994"Towards Failure - Free ", fuel Review 1994, NuclearEngineering Interational,pp 28 - 30, 1994.

[6] F1ZZOTI, C., "Principles of Nuclear FuelProduction'" Vol. 2, Specialized Training Course forBATAN's Personnel, pp.42-47, ENENBATAN,1984.

[7] ANONYM, "EG&G Princeton Applied Research,Basic of Corrosion Measurement, Application Note-I,USA, 1982.