0443: Suasmoro dkk.
HK-85
PELAPISAN GRAFIT DENGAN TITANIUM KARBIDA DENGAN METODA PIRAC (POWDER IMMERSION REACTION ASSISTED COATING) Suasmoro, M.Zainuri, D. Agustinawati, N. Nadliriyah, Budiana, dan F.A. Rahmawati Jurusan Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Pelapisan permukaan grafit telah dapat dilakukan dengan metoda PIRAC dalam atmosfer nitrogen dan argon yang mengandung Yodium. Proses dilakukan pada temperatur 1000 ◦ C selama 4 jam. Lapisan titanium karbida TiC yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar X (XRD), mikrospi elektron (SEM) secara morfologi dan pemetaan ion melalui analisa energi dispersi sinar X (EDX). Hasil lapisan TiC diketahui bahwa menggunakan atmosfer Argon dapat mencapai ∼20 µm sedangkan dengan atmosfer nitrogen ketebalan lapisan mencapai 4 µm. Kata Kunci: Pelapisan, grafit, titanium karbida.
I.
PENDAHULUAN
Grafit diketahui mempunyai ketahanan panas yang sangat baik, dapat bertahan sampai 3700 ◦ C sebelum menyublim.[1] Sifat ini sangat baik bila dipakai sebagai bahan tahan panas (refractory) seperti insert nozzle dalam teknologi roket. Akan tetapi grafit mempunyai beberapa kekurangan karena grafit akan teroksidasi bila dipakai dalam lingkungan yang mengandung oksigen, dan mudah tergores (oleh lingkungan yang abrasive, scratch) karena mempunyai kekerasan yang rendah 1-2 dalam skala mho. Oleh karena itu, untuk keperluan pemakaian grafit memerlukan penguatan yang dapat dilakukan dengan pelapisan. Pemakaian pada lingkungan yang ’severe’, grafit dapat dilapisi dengan keramik maupun bahan lain yang sesuai kebutuhan. Apabila persaratan pemakaian untuk bahan yang harus mampu bertahan sampai temperatur ∼3700 ◦ C, dan tahan terhadap goresan, maka untuk menutupi kelemahan grafit yang mudah teroksidasi dan rentan scratch, maka permukaan grafit harus dilapis (coated) dengan bahan yang memenuhi sarat, dalam hal ini yang paling memungkinkan adalah dari jenis carbida. Titanium karbida merupakan kandidat karena ketersidiaan metal titanium dan proses sintesanya. TiC mempunyai titik leleh ∼3200 ◦ C, mempunyai kekerasan 9 dalam skala mho dan baik ketahanannya terhadap schock termal. Dari literatur diperoleh bahwa membuat lapisan TiC
di permukaan dapat dilakukan dengan beberapa cara diantaranya dapat disebutkan di sini: pelapisan dengan proses plasma spraying,[2] pelapisan dengan cara ’sputtering’,[3] proses dengan CVD/PVD, pelapisan dengan Powder Imersion Reaction Assisted Coating (PIRAC).[4] Mekanisme pelapisan dengan metoda PIRAC untuk pelapisan keramik dapat di sketsakan seperti G AM BAR 1 . Tahapan dari pembentukan lapisan dapatlah dijelaskan sebagai berikut: a. Pada tahapan awal ion-ion titan lepas dari partikel titan melalui dua kemungkinan, melalui aliran permukaan dan sublimasi dan pengembunan. Ion ion ini tersebar merata di permukaan substrat grafit dan bereaksi membentu lapisan TiC (mekanisme 1 dan 2 dalam G AMBAR 1). b. Setelan beberapa waktu dan lapisan TiC sudah terbentuk, perpindahan ion ion Ti melalui dua cara yang disebutkan di a tetap berjalan. Untuk tetap bereaksi dan membentuk lapisan TiC ion Ti dan C berdifusi melalui jaringan kisi TiC masing-masing ion Ti bergerak menuju permukaan substrat sedangkan ion C bergerak menuju ke permukaan (mekanisme 3 dan 4 dalam G AMBAR 1). Dengan mekanisme yang diterangkan diatas, maka menuruti Kingery et al.[5] maupun Yin et al.[6] pertumbuhan/ketebalan lapisan akan memenuhi hubungan Prosiding InSINas 2012
0443: Suasmoro dkk.
HK-86 parabolik, x = Kt
1 2
(16)
di mana x adalah ketebalan lapisan, t adalah waktu dan K adalah tetapan yang bergantung pada jenis bahan.
karena oksigen akan mudah bereaksi dengan Titanium yangakan membentuk komposisi TiO2 . Bersamaan dengan itu oksigen juga akan bereaksi dengan karbon dari grafit untuk membentuk CO/CO2 . Ini semua adalah keadaan yang tidak dikehendaki. Berbeda dengan yang ada didalam literatur yang lingkungan reaksi divakumkan untuk menghindari oksigen, maka dalam percobaan di sini dilaksanakan didalam atmosfer nitrogen dan argon dengan kemurnian yang tinggi pada tekanan atmosfer.
G AMBAR 1: Mekanisme tahapan proses pelapisan dengan metoda PIRAC.
1 : ion titanium lepas melalui aliran permukaan dan menyebar di permukaan 2 : ion titanium lepas melalui sublimasi dan pengembunan menyebar di permukaan 3 : ion titanium berdifusi ke permukaan substrat untuk berreaksi di permukaan substrat 4 : ion karbon berdifusi ke permukaan produk TiC untuk bereaksi dengan ion titan A : powder titanium; B : Lapisan produk TiC; C : Substrat Grafit Dari beberapa literatur, proses yang dilakukan meliputi sputtering, plasma spraying dan PIRAC. Varacalle, D.J. et al.[2] melaporkan pelapisan TiC dapat mencapai ketebalan 100 µm dengan proses vacuum plasma spraying. Sementara itu Pelapisan TiC dengan proses PIRAC yang dilakukan oleh Yin, X. et al.[6] dengan cara vacuum untuk menjaga tekanan oksigen dan nitrogen ∼1×10−5 Pa. Hasil yang diperoleh menunjukkan permukaan yang ’kasar’ terdapat porositas yang cukup dengan grain berukuran sekitar 1 µm. Dari keempat cara yang dikemukakan di atas yang hendak dieksploitasi adalah pelapisan dengan PIRAC. Di dalam paper ini akan difokuskan pada proses pelapisan TiC di permukaan grafit, dengan maksud untuk memperbaiki performa dari grafit dengan menggunakan metoda PIRAC.
II.
METODOLOGI
Untuk memperoleh lapisan TiC yang baik, maka harus dihindari oksigen selama proses. Ini disaratkan
G AMBAR 2: Flow chart experimental dalam coating TiC
Penyediaan bahan baku dipilih sesuai kebutuhan, bahan utama pelapis, titanium metalik powder >98%, iodine ’sublimated for analysis’ keduanya disuplai dari Merck. Atmosfer reaksi, Argon dengan kemurnian 99.999%, dan gas Nitrogen dengan kemurnian 99.95%. Sampel berupa grafit yang dipotong menjadi balok kecil yang diletakkan didalam ’reaktor’ yang terbuat dari stainles steel. Tahapan eksperimen ditunjukkan oleh flow chart G AMBAR 2. Pertama disiapkan campuran Ti-I dengan perbandingan Ti/I=94/4, pencampuran dilakukan dengan mortar dan pastle. Kemudian ’loading’ sampel ke dalam tabung reaktor yang terbuat dari Stainless Steel dengan kandunga Chrome tinggi. Dalam loading bubuk campuran Ti-I dan sampel ke dalam reaktor dilakukan di dalam gloves box. Ruang gloves box divakumkan, kemudian diisi dengan Argon/Nitrogen. Prosiding InSINas 2012
0443: Suasmoro dkk.
HK-87
G AMBAR 4: Search matched dari salah satu permukaan sampel menunjukkan pembentukan TiC dari grafit dilapis dengan atmosfer nitrogen pada 1000 ◦ C selama 4 jam
G AMBAR 5: Data XRD yang diperoleh dari grafit yang dilapisi dengan Titanium melalui proses PIRAC.
Gloves box divakumkan lagi kemudian diisi lagi dengan Argon/nitrogen, terus langkah ini dilakukan 3× dan pada kali yang terakhir pengisian gas tekanannya dibuat 1 atmosfer. Sekali loading bubuk Ti dan penempatan sampel selesasi, terus dipindahkan ke dalam tube furnace. Pemanasan dilaksanakan dengan mengalirkan gas sejenis tahap loading untuk menjamin selama
proses pelapisan dilakukan pada kondisi atmosfer yang dikehendaki. Perlakuan ini dilakukan hingga siklus berakhir T<400 ◦ C. Tahapan selanjutnya adalah karakterisasi untuk mengetahui apakah lapisan TiC sudah terbentuk. Karakterisasi ini meliputi XRD, SEM, EDX dan mapping dari sampel yang dapat dilihat pada G AMBAR 3.
Prosiding InSINas 2012
0443: Suasmoro dkk.
HK-88 Atmosfer Nitrogen, lama pemanasan 4 jam
G AMBAR 6: Gambar SEM dari permukaan grafit yang dilapisi TiC yang diproses dengan atmosfer nitrogen pada 1000 ◦ C selama 4 jam
G AMBAR 7: Penampang melintang menunjukkan ketebalan pelapisan ∼2 µm analisis EDX dan mapping elemen dengan proses atmosfer nitrogen.
XRD dilaksanakan dengan menggunakan perangkat XRD Philips X’pert dengan radiasi CuKα dan software untuk search-matched.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa permukaan hasil pelapisan untuk melihat terbentuknya lapisan TiC dilakukan dengan difraksi sinar X yang selanjutnya diidentifikasi puncak-puncak difraksi dengan cara ’search matched’, G AMBAR 4. Perubahan pola difraksi dari setiap sampel setelah pelapisan dibandingkan dengan pola difraksi substrat grafit ditunjukkan pada G AMBAR 5. Dari G AMBAR 4, terlihat bahwa untuk atmosfer nitrogen spektra XRD menunjukkan dua fasa, grafit dan TiC artinya di permukaan sampel sudah terdapat lapisan TiC, yang ’apriori’ lapisan masih tipis sehingga penetrasi sinar-X masih dapat menjangkau substrat grafit. Sedangkan lapisan TiC yang diproses menggunakan atmosfer argon menunjukkan pembentukan lapisan yang lebih baik, puncak utama grafit akibat refleksi di
TABEL 1: Hasil pelapisan TiC dengan atmosfer nitrogen dan argon.
Permukaan Ketebalan Granularity Ukuran grain
Nitrogen ’rough’ 2µm aglomerated 1µm
Argon ’rata’ 20µm homogen 1µm
2Θ ≈26◦ sudah tidak teramati lagi. Analisa lebih lanjut dilakukan untuk mengetahui morfologi grain permukaan dan ketebalan lapisan TiC. Dari analisis EDX dan mapping elemen menunjukkan bahwa lapisan yang telah dikarakterisasi dengan XRD. Hasil karakterisasi dapat ditunjukkan pada G AMBAR 6 ∼ G AMBAR 9. Hasil pelapisan TiC terlihat bahwa dengan menggunakan atmosfer nitrogen dan argon dapatlah dibuat resume sebagai berikut. Di samping hasil utama dari pelapisan, dapat disamProsiding InSINas 2012
0443: Suasmoro dkk.
HK-89 Atmosfer Argon lama pemanasan 4 jam
G AMBAR 8: Fotomikrografi SEM permukaan pelapisan untuk proses pada T=1000 ◦ C selama 4 jam dengan atmosfer argon
G AMBAR 9: Penampang melintang sampel yang diproses dengan atmosfer argon menunjukkan ketebalan lapisan ∼20µm dan analisa EDX/mapping elemen.
paikan di sini bahwa reaktor yang dibuat dari baja S45C sangat mudah teroksidasi walaupun dalam atmosfer yang sangat rendah kandungan oksigennya. Penetrasi dapat mencapai 1mm pada pemanasan 1000 ◦ C selama 4 jam dalam atmosfer nitrogen, pengujian dengan XRD menunjukkan bahwa fasa yang terbentuk adalah Fe2 O3 . Sedangkan bubuk Ti yang dicampur Iodine telah berubah Ti2 N bila digunakan atmosfer nitrogen.
IV.
KESIMPULAN
Telah dapat dilakukan pelapisan grafit dengqan TiC dengan metoda PIRAC. Proses pelapisan dengan substrat grafit dan atmosfer gas argon pada tekanan atmosfer menunjukkan efektifitas pelapisan yang lebih baik dibandingkan dengan pelapisan yang menggunakan atmosfer nitrogen. Mekanisme pelapisan melalui rekasi difusi mempunyai ikatan yang kuat.
Prosiding InSINas 2012
HK-90
0443: Suasmoro dkk.
G AMBAR 3: Permukaan yang dilakukan karakterisasi XRD/SEM,EDX,Mapping
UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dilaksanakan oleh kelompok plasma riset jurusan Fisika ITS. Penulis mengucapkan terima kasih kepada kementrian RISTEK yang membiayai penelitian ini dalam program SINAS-RISTEK melalui kelompok bahan nozzle roket LAPAN.
DAFTAR PUSTAKA [1] Aliprandi, G. Materiaux Refractaire et Ceramiques techniques, Ed. Septima (1979) p.298 [2] Varacalle, D.J, L.B.Lunberg, H.Herman, G. Bancke, Titanium Carbide Coatings fabricated by vacuum plasma spraying, Surf & Coat. Tech. 86-87 (1996) 70-74. [3] Benarioua, Y, L.Lesage, E.Bemporad, D.Chiot, Titanium Carbide films obtained by conversion of sputtered titanium on high carbon steel, Surf & Coat Tech. 200 (2006) 5447-5454 [4] Gutmanas, E.Y., I. Gotman, Coating of non oxide ceramics by interaction with metal powder, Mater Sci & Eng, A157(1992) 233-241 [5] Kingery, W.D., H.K. Bowen, D.R. Uhlman, Introduction to Ceramics 2nd ed, John Wiley & Sons. [6] Yin, X., I.Gutman, L. Klinger, E.Y. Gutmanas, Formation of Titanium Carbide on Graphite via powder immersion reaction assisted coating, Mater Sci & Eng A396 (2005) 107-114
Prosiding InSINas 2012
