ISBN 979-8611-37-3
PENGARUH PENAMBAHAN Mo TERHADAP STABILITAS FASA-FASA SENYAWA ANTAR LOGAM Ti-Al Meilinda Nurbanasari, Djoko Hadi Prajitno*, dan Rainaldo Ersaputra Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri ITENAS Jl. PHH. Mustapa no.23, Bandung Email :
[email protected] * Penelitian Tenaga Nuklir BATAN Jl. Tamansari – Bandung Abstrak Titanium adalah logam yang memiliki banyak keunggulan yaitu berat jenisnya yang rendah (4,5 gr/cm3), kekuatan yang tinggi pada temperatur tinggi, modulus elastisitas yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik. Sifat-sifat di atas merupakan keunggulan yang jarang dimiliki oleh material lain secara bersamaan. Aplikasi titanium pada temperatur tinggi banyak digunakan pada sudu turbin gas dan pesawat ulang alik ruang angkasa. Meskipun demikian, logam ini juga memiliki kekurangan yaitu rendahnya keuletan dan ketangguhan pada temperatur kamar, sehingga dapat mengakibatkan kegagalan baik dalam proses produksi maupun aplikasinya. Salah satu cara untuk memperbaiki kegagalan logam tersebut adalah menambahkan unsur pemadu yang akan menginduksikan fasa kedua dengan sifat yang lebih ulet ke dalam struktur mikro, seperti niobium, molybdenum, vanadium, wolfram dan zirconium. Dalam penelitian ini Molibdenum (Mo) dipilih sebagai unsur pemadu. Diharapkan Mo sebagai logam transisi dapat meningkatkan pengerasan larutan padat terhadap paduan Ti-Al. Pemaduan Mo dilakukan dengan menggunakan 5 variasi komposisi dari Ti, Al dan Mo dalam % berat. Proses pemaduan tersebut dilakukan melalui proses pengecoran. Setelah logam paduan diperoleh, dilakukan proses perlakuan panas dengan berbagai temperature pemanasan (1000oC, 1100oC, 1200oC) dan lama pemanasan (1 jam dan 4 jam). Pengujian dan pengamatan dilakukan melalui pengujian keras dan SEM-EDAX. Hasil penelitian menunjukkan bahwa struktur mikro paduan umumnya berbentuk jarum dengan harga kekerasan berkisar 600 sampai 740 VHN. Perlakuan panas yang diberikan dengan waktu 1 dan 4 jam pada variasi temperatur pemanasan dirasakan belum cukup untuk menyeragamkan komposisi paduan. Selain itu adanya retak yang terlihat pada hasil analisa struktur mikro menunjukkan bahwa komposisi paduan pada penelitian ternyata bersifat getas dan belum bisa memperbaiki keuletan dari paduan TiAl. Kata kunci: Titanium, Paduan, Perlakuan Panas, Keuletan
Pendahuluan Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan paduan titanium pada temperatur tinggi serta keuletan pada temperature kamar. Untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan pada temperatur tinggi dapat dilakukan dengan menambahkan unur-unsur logam transisi yang dapat menyebabkan pengerasan larutan padat seperti tembaga, krom, tantalum dan molibdenum (Valencia dkk, 1987). Keuletan pada temperatur kamar dapat diperbaiki dengan menambahkan unsur pemadu yang akan menginduksikan fasa kedua dengan sifat yang lebih ulet kedalam struktur mikro. Unsur tersebut dapat berupa fasa seperti niobium, molibdenum, vanadium, wolfram dan zirconium. Adapun dipilihnya Mo sebagai unsur pemadu disebabkan logam Mo diharapkan dapat meningkatkan pengerasan larutan padat terhadap paduan TiAl. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari sifat-sifat paduan TiAl dan pengaruh paduan apabila ditambahkan logam Mo dengan komposisi 2 dan 4 % berat terhadap struktur mikro dan keberadaan fasa dalam paduan TiAl hasil peleburan serta pengaruh perlakuan panas. DASAR TEORI Senyawa intermetalik dapat didefinisikan sebagai fasa paduan yang tersusun dari dua unsur logam atau lebih dan memiliki rasio yang stoikiometris seperti A3B, A2B, AD dan AB2 untuk sistem biner. Pembentukan senyawa tersebut dapat dilihat pada diagram fasa. Diagram kesetimbangan fasa biner Ti-Al (Dogan, dkk,1991) menunjukkan bahwa fasa -TiAl stabil dalam selang komposisi yang cukup sempit pada temperatur kamar dan membentuk kesetimbangan dua fasa yaitu 2Ti3Al2. Dalam sistem ini komposisi kesetimbangan dan temperature transisi sangat dipengaruhi oleh keberadaan pengotor, terutama oksigen.
21
ISBN 979-8611-37-3
Gambar 1: Diagram Fasa Kesetimbangan Ti-Al (Dogan, dkk, 1991). Pada diagram fasa tersebut antara temperatur antara 1200-1400oC, daerah fasa TiAl terlihat cukup lebar, namun dengan seiring turunnya temperatur, daerah untuk mendapatkan fasa TiAl semakin mengecil. Paduan TiAl dengan komposisi 55-65 % atom Al pada temperatur 1400 –1300oC cenderung membentuk fasa -TiAl + TiAl2 pada temperatur kamar. Pembekuan Coran Pembekuan coran dimulai dari bagian yang bersentuhan dengan cetakan, dimana kemudian inti-inti kristal tumbuh, ukuran dari butir pada daerah ini relatif lebih kecil dan disebut dengan Chill Zone. Bagian dalam dari coran mendingin lebih lambat daripada bagian luar, sehingga kristal–kristal tumbuh dari inti asal mengarah kebagian dalam coran dan butir-butir kristal tersebut memanjang seperti kolom yang disebut Columnar Zone. Struktur ini muncul dengan jelas apabila gradient temperatur yang besar terjadi pada permukaan coran besar. Bagian tengah coran (Central Zone) mempunyai gradien temperatur yang kecil sehingga ukuran butirnya relatif lebih besar dibandingkan Chill Zone dan daerah ini merupakan susunan dari butir-butir kristal segi banyak dengan orientasi yang sembarang. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar berikut.
Gambar 2. Struktur mikro daerah coran (Reed-Hill, dkk, 1992). Penguatan Larutan Padat Memasukan atom larut sebagai larutan padat dalam kisi atom pelarut, selalu menghasilkan paduan yang lebih kuat daripada logam murni. Ada dua jenis larutan padat. Jika atom terlarut dan atom pelarut kira-kira sama besarnya, atom larut akan menempati tempat kisi (lattice points) dalam kisi kristal atom pelarut. Ini disebut larutan padat substitusi. Kalau atom larut jauh lebih kecil daripada atom pelarut, atom larut menduduki posisi sisipan dalam kisi pelarut. Karbon, Nitrogen, Oksigen dan Boron merupakan elemen yang biasanya membentuk larutan padat-sisipan atau interstisi ( Interstitial solid solution ). Faktor yang mengendalikan kecenderungan membentuk larutan padat substitusi dipecahkan terutama melalui karya Hume-Rothery. PROSEDUR PERCOBAAN Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah Titanium seri CPI (Commercial Pure I), Aluminium dengan kemurnian>99,9% dan unsur paduan terner yang digunakan yaitu Molibdenum dengan kemurnian bahan sebesar 99,9%. Pada tabel 1 diperlihatkan komposisi material dasar penyusun paduan :
Bahan dasar Titanium (Ti) Aluminium (Al)
Molibdenum (Mo)
Tabel 1 Komposisi material dasar Bentuk Awal Kemurnian % Pengotor (% berat) Lembaran H = 0,015 C = 0,08 99,7 N = 0,05 Si = 0,04 Fe= 0,12 Ingot Cakram 99,9 Si = 0,05 Fe = 0,07 Cu= 0,01 Ti = 0,01 Mn = 0,01 Silinder pejal 99,9
22
ISBN 979-8611-37-3 Secara garis besar untuk langkah kerja dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar diagram di bawah.
Gambar 3. Langkah Kerja penelitian.
Penimbangan Material Proses penimbangan dilakukan dengan mengikuti % berat material sebagai berikut:
Paduan 1 Paduan 2 Paduan 3 Paduan 4 Paduan 5
Tabel 2 kadar komposisi berat material (gr) Titanium (Ti) Aluminium (Al) 5,4000 4,6000 5,2000 4,8000 5,0000 5,0000 5,0000 4,8000 5,0000 4,6000
Molibdenum (Mo) 0 0 0 0,2000 0,4000
Peleburan dan Perlakuan Panas Proses peleburan material, menggunakan TIG (Tungsten Inert Gas). Sebelum peleburan dimulai, material yang akan dilebur disusun berdasarkan titik lebur material. Proses perlakuan panas dilakukan untuk kelima jenis paduan, dengan masing-masing dalam kondisi as cast, pemanasan 1000 oC dan waktu tunggu 1 jam dan 4 jam, pemanasan 1100 oC dengan waktu tunggu 4 jam, 1200oC denagn waktu tunggu 1 dan 4 jam. Untuk material yang mengalami perlakuan panas, pendinginan dilakukan secara celup cepat menggunakan media air bertemperatur kamar. Masing-masing kondisi menggunakan 3 sample. Pengujian Uji keras menggunakan metode microvickers dengan beban 50 gram, sedangkan untuk analisa struktur mikro menggunakan mikroskop optik dan SEM-EDAX. HASIL DAN PEMBAHASAN Perubahan Berat Hasil penimbangan paduan logam sebelum dan sesudah peleburan idealnya mempunyai berat yang sama, namun dalam penelitian ini terjadi perubahan berat sebesar 0,1 gr atau sekitar 1 % berat total paduan. Adanya penambahan berat ini disebabkan ikut meleburnya elektroda tungsten kedalam logam paduan, hal ini dapat dibuktikan setelah beberapa kali peleburan elektroda tungsten mengalami pengurangan panjang selain itu tidak tertutup kemungkinan terjadinya oksidasi terhadap logam titanium.
23
ISBN 979-8611-37-3 Kekerasan Dari hasil uji keras mikro pada semua paduan as cast didapat harga kekerasan hanya terpaut sekitar 15 HV, ini menunjukkan bahwa perubahan komposisi yang dilakukan pada paduan hanya berakibat kecil terhadap kekerasan. Selain itu penambahan unsur Mo juga belum berpengaruh terhadap harga kekerasan. Namun untuk paduan 1 s.d 5 yang mengalami perlakuan panas terlihat fluktuasi kekerasan pada tiap perlakuan panas. Ini menyulitkan dalam menganalisis kekerasan material. Namun dari hasil pengujian kekerasan mikro didapat harga kekerasan dari struktur mikro yang berbentuk jarum lebih tinggi dibandingkan matriksnya, jadi dapat diperkirakan bahwa harga kekerasan yang berfluktuasi itu dapat disebabkan karena indentor jatuh pada daerah matriks sehingga ada material yang memiliki kekerasan yang tinggi da nada juga yang memiliki kekerasan yang rendah.
Gambar 4: Kekerasan pada berbagai kondisi paduan. Analisa Struktur Mikro Hasil pengujian SEM-EDAX dilakukan pada paduan 1 yaitu hasil peleburan (as cast), paduan 3 o (1200 C, 4 jam) dan paduan 5 (as cast). Pengujian dilakukan pada 3 material tersebut karena mewakili perbedaan-perbedaan yang ada pada foto-foto struktur mikro. Pada gambar 5 diperlihatkan struktur mikro paduan 1 as cast hasil foto SEM. Struktur mikro paduan 1 hasil foto dengan SEM memperlihatkan bentuk struktur mikro needle like dengan panjang sekitar 10 m.
Gambar 5. Foto SEM paduan 1 as cast
Gambar 6: Foto SEM paduan 5 as cast
Tabel 4: Analisa EDAX paduan1 as cast
Tabel 5: Analisa EDAX paduan 5 as cast
Paduan 1 as cast pada dasarnya terdiri dari 54 % Ti dan 46 % Al dalam persen berat, tapi setelah dilebur terbentuk 2 bagian yaitu matrisk dan struktur mikro berbentuk jarusm. Dari analisa SEM-EDAX didapat komposisi Ti pada bagain matriks sebesar 49,85% dan bagian struktur mikro sebesar 68,62 % berat. Disini terlihat bahwa bagian struktur mikro memiliki kandungan Ti yang lebih tinggi dan memiliki fasa 2-Ti3Al & TiAl, sedangkan matrik memiliki fasa -TiAl dan TiAl2 dengan komposisi Ti sebesar 52,48 % berat. Dari analisa SEM-EDAX paduan 5 dengan komposisi material dasar Ti=50, Al=46 dan Mo=4% berat, didapat komposisi Ti hasil leburan pada bagian matriks sebesar 45,94 % berat. Sedangkan bagian struktur mikro didapat komposisi Ti sebesar 61,84 % berat. Dari dua bagian itu, komposisi Ti pada struktur mikro lebih tinggi dari material dasarnya dan dipastikan bahwa Ti berkumpul pada bagain ini, sehingga pada bagian matriks komposisi
24
ISBN 979-8611-37-3 Ti-nya berkurang. Hasil foto SEM paduan 5 as cast (gambar 6) terlihat bahwa struktur mikro bentuk jarum lebih ramping bila dibandingkan dengan paduan 1. Hasil foto SEM paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC selama 4 jam pada temperature 1200oC (gambar 7_ terlihat adanya porositas dan struktur mikro needle like. Adanya strktur mikro yang berbentuk jarum disebabkan karena pada aat peleburan paduan, Ti terlebih dahulu membeku, sedangkan Al masih mencair, sehingga Ti tersegregasi dan mengikat material Ti lebih banyak.
Gambar 7: Foto SEM paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC, 4 jam. Tabel 7: Analisa EDAX paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC, 4 jam.
Pada gambar di atas terlihat bahwa fasa memiliki komposisi berat Ti sebesar 57,41 % lebih besar daripada matriks yang memiliki komposisi sebesar 42,74 % berat. Dari data ini dapat dipastikan bahwa bagian fasa memiliki kandungan Ti yang tinggi dan berdasarkan diagram fasa, bagian fasa ini memiliki fasa -TiAl. Sedangkan matrixnya atau bagian yang palin dominan memiliki fasa + TiAl2, tapi apabila dilihat secara full frame maka semuanya akan diwakili oleh fasa + TiAl2. Pemanasan didalam tungku bertujuan untuk memberikan penyeragaman komposisi agar antara struktur mikro berbentuk jarum dan matriksnya terjadi penyeragaman komposisi,sehingga pada suatu saat struktur mikro akan hilang sama sekali dan yang terlihat hanyalah matriksnya saja. Namun dalam penelitian ini yang terjadi adalah struktur mikro yang terlihat masih banyak dan berukuran kecil, sehingga dapat dipastikan bahwa perlakuan panas yang dilakukan kurang memadai untuk menyeragamkan komposisi antara struktur mikro dengan matriknya. Retak yang terlihat pada pengamatan disebabkan karena paduan yang dilebur tidak memiliki titik leleh yang sama, sehingga mengakibatkan pendinginan yang berbeda – beda pada tiap-tiap tempat dan mengakibatkan penyusutan pada setiap tempat berbeda-beda. Selain retak, adanya porositas juga teramati. Porositas yang terjadi dapat disebabkan karena arus yang diberikan pada saat peleburan terlalu tinggi sehingga menyebabkan terjadinya semburan arus buusur listrik yang kuat didalam logam paduan saat mencair. Dengan membandingkan hasil pengujian SEM-EDAX dan data komposisi yang direncanakan pertama, maka terdapat perbedaan yang sedikti menyimpang dari komposisi yang ditetapkan. Tabel 8: Perbandingan komposisi hasil SEM-EDAX dengan komposisi Nominal
Dari perbandingan data di atas, terlihat bahwa komposisi titanium paduan 1 menurun sebesar 1,52 % berat, material 3 turun sebesar 1,02 % berat, begitu juga pada molybdenum mengalami penurunan sebesar 0,86 25
ISBN 979-8611-37-3 % berat akibatnya komposisi dari aluminium semakin meningkat setelah mengalami peleburan, hal ini dapat disebabkan beberapa alas an yaitu: 1. Kemungkinan material yang dilebur dam bagian yang kaya titanium tersebut berada pada bagian yang lain. 2. Ada Titanium yang tidak terlebur dan bagian yang kaya titanium tersebut berada pada bagian yang lain 3. Adanya Titanium yang teroksidasi dan menempel pada dinding kaca disebabkan karena penyusunan material pada saat peleburan berawal dari titanium sebagai tempat terats lalu diikuti dengan molibdenum dan kemudian terakhir aluminium Efek Perlakuan Panas terhadap Logam Paduan TiAl Pada pemanasan 1000oC paduan 3, 4 dan 5 dengan waktu tunggu 1 dan 4 jam terlihat mengecil dan menghilangnya sebagian struktur mikro yang berbentuk jarum,namun ada keanehan pada paduan 1yaitu struktur mikro yang terjadi semakin rapat dan memiliki ukuran yang sangat kecil, ini menunjukkan bahwa peristiwa segregasi terjadi pada paduan ini yang memungkinkan disebabkan oleh keterlambatan material paduan dalam proses quenching. Pemanasan 1100oC dengan waktu tunggu 1, struktur mikro yang ada memiliki bentuk jarum yang agak bulat. Retak teramati dengan jelas pada paduan 2 dan 4. Sedangkan untuk waktu tunggu 4 jam ukuran struktur mikronya menjadi kecil dan banyak, kemungkinan disebabkan oleh struktur mikro yang terjadi mengalami pemisahan pada saat pemanasan sebelum menjadi matriks. Untuk paduan 2 dan 4 akibat pemanasan 1200oC panas selama 1 jam, terjadi perubahan yang normal yaitu berkurangnya struktur mikro yang berbentuk jarus dimana tampak bahwa matriks yang terjadi semakin luas dengan ukuran struktur mikro yang semakin kecil. Berikut gambar yang dapat mewakili hasil mikroskop optik.
Gambar 8: Struktur mikro paduan 2 akibat pemanasan 1200 oC, 4 jam (400x)
Gambar 9: Struktur mikro paduan 4, akibat pemanasan 1200 oC, 4 jam (400x)
Pada pemanasan 1200oC selama4 jam pada untuk paduan 4, menunjukkan bahwa perlakuan panas dengan temperatur ini dapat membuat komposisi paduan menjadi semakin homogen.
KESIMPULAN 1. Dari hasil EDAX, paduan dengan komposisi Ti50Al% berat atau Ti63Al % atom, fasa -TiAl terdapat struktur mikro bentuk jarum, dan matriks mempunyai fasa -TiAl + TiAl2 2. Unsur Molibdenum dengan komposisi 2 dan 50 % berat pada paduan as cast belum memberikan efek pengerasan dan kekerasan tertinggi pada paduan 4 yaitu 658,476 VHN 3. Perlakuan panas yang diberikan dengan waktu 1 dan 4 jam pada temperature 1000, 1100 dan 1200 oC dirasakan belum cukup untuk menyeargamkan komposisi paduan. DAFTAR PUSTAKA 1. Dogan, N., Wagner, R., Beaven, P.A, 1991, Fracture Behaviour of a Ti-48, 5Al-1Mn Alloy, Scripta Metallurgica et Materialia, vol.25, pp. 773-778 2. Valencia, J.J, McCullough, C.Levi, C.G., Mahrabian., R., 1987, Structure Evolution During Conventional and Rapid Solidification of Ti-50% Al alloy, Scripta Metallurgica, vol 21., pp. 1341-1346. 3. Reed-Hill, Robert E, Abbaschian Rezon, 1992., Physical Metallurgy Principles, 3rd ed, PWS-KENT Publishing Company, Boston.
26
