Paduan Intermetalik
Salah satu jenis yang menjadi perhatian para penelti adalah material untuk kebutuhan dalam kondisi temperatur tinggi. Dalam lingkungan dengan temperatur tinggi, beberapa sifat material yang khas diperlukan. Sifat-sifat meterial yang diperlukan untuk penggunaan dalam temperatur tinggi itu diantaranya adalah :
1. Titik lebur tinggi
Titik lebur katerial harus melebihi temperatur operasi.
2. Stabilitas struktur mikro
Struktur mikro mununjukan sifat -sifat dari paduan logam. Kestabilan struktur mikro menunjukan sifatnpaduan tersebut.
3. Ketahanan lingkungan
Ketahanan terhadap lingkungan operasi diperlukan karena beberapa kondisi memerlukan suatu karakter yang spesifik untuk material, mengurangi proses pabrikasi dan perawatan, serta untuk menghemat biaya.
4. Ketahanan creep
Creep atau perayapan adalah deformasi terus menerus pada beban konstan dibawah tegangan luluhnya. Ketahanan perayapan ini biasanya menjadi hal sangat diperhatikan dalam meterial untuk penggunaan dalam temperatur tinggi.
5. Ketahanan lelah (fatigue dan thermal fatigue)
Diperlukan untuk perlakuan siklik (termal dan mekanik).
Sebenarnya jenis material yang paling cocok untuk lingkungan dengan temperatur tinggi untuk superalloy atau paduan super. Hanya saja paduan super ini tergolong mahal dari segi proses pembuatan maupun dari material-material yang di tambahkan ke dalam paduan. Keadaan ini menjadi pemicu bagi para peneliti untuk mengembangkan peneliti pada paduan intermetalik.
Salah satu cara mendesain paduan agar dapat membentuk senyawa intermetalik adalah dengan mengatur komposisi unsur-unsur pemadu, sehingga kekerasan dan keuletan dari paduan yang diharapakan bisa mencapai kondisi optimalnya masing-masing.
Paduan Fe-Ni dengan Al akan menghasilkan fasa-fasa intermetalik FeAl, Fe₃Al, dan NiAl. Paduan intermetalik memiliki kelebihan yang menyebabkan padauan ini mendapat perhatian lebih oleh para peneliti, diantaranya :
1. Memiliki kekuatan tinggi pada kondisi operasi teperatur tinggi
2. Ketahanan oksidasinya meningkat sejalan dengan peningkatan kadar alumunium.
3. Memilik struktur kristal order yang menyebabkan paduan ini memiliki ketahanan creep yang tinggi pada temperatur tinggi.
Analisis Fe, Ni, dan Al
Komposisi paduan dipilih berdasarkan pada beberapa kriteria : Fe sebagai logam dasar adalah untuk mengurangi biaya pembuatan paduan karena Fe mempunyai harga yang relatif murah. Penambahan Ni yang mencukupi adalah untuk memastikan komposisi mikrostruktur terdiri dari fasa 𝛽' dan fasa FCC fasa 𝛾 yang rendah difusifitasnya dibanding BCC fasa 𝛼. Sedangkan Al untuk memastikan volume fraksi yang besar dari fasa ductile untuk mendapatkan keuletan dan ketangguhan yang cukup.
Fasa 𝛽, 𝛽', dan 𝛾' dalam Fe-Ni-Al mempunyai sifat umum yang rendah nilai densitasnya dan mempunyai karakter yang baik untuk pemakaian di temperatur tiggi seperti kekuatan, ketahanan oksidasi, dan konduktivitas panas. Paduan Fe-Ni-Al mempunyai potensi untuk mengkombinasikan kekuatan pada temperatur ruang dan ductility-nya serta berpotensi juga untuk penggunaan pada temperatur tinggi dikarenakan fasa Ni₃Al. Diagram terner Fe-Ni-Al (% berat) ditunjukan pada gambar Ⅱ.1 sedangkan untuk diagram terner Fe-Ni-Al (% atom) ditunjukan pada gambar Ⅱ.2. berdasarkan hasil penelitian sebelumnya, struktur mikro yang kemungkinan terlihat melalui mikroskop optik ditunjukan pada gambar Ⅱ.3.
Paduan Fe-Ni
Pengembangan superalloy Fe-Ni didasarkan pada baja tahan karat austentik. Paduan logam ini memiliki variasi komposisi yang menyediakan beberapa penguatan, seperti penguatan larutan padat (solid solution strengthening), penguatan karena endapan (precipitation strengthening) dan penguatan batas butir (grain boundary strengthening).
Unsur-unsur pemadu biasanya ditambahkan pada paduan Fe-Ni untuk memperbaiki sifat-sifat paduan ini. Kromium dan alumunium ditambahkan untuk meningkatkan ketahanan oksidasi, molybdenum dan tungsten untuk meningkatkan kekuatan paduan melalui mekanisme solid-solution strengthening. Titanium dan alumunium ditambahkan untuk membentuk senyawa intermetalik dengan nikel dan memberikan efek penguatan melalui mekanisme precipitation strengthening. Fasa-fasa yang bisa terbentuk pada paduan Fe-Ni ditunjukan melalui diagram fasa biner Fe-Ni pada Gambar Ⅱ.4.
Paduan dasar Fe-Ni dapat dibagi menjadi 4 kelas menurut komposisi dan mekanisme penguatannya, yaitu sebagai berikut :
1. Paduan yang diperkuat oleh endapan 𝛾' yang order. Lebih jauh paduan ini dibagi menjadi dua :
a. Paduan kaya Fe dengan kandungan Ni yang relatif rendah (sekitar 25%), dan mengandalkan penambahan Ti (<2 wt%) untuk membentuk endapan penguat.
b. Paduan kaya Ni (Ni>40wt%) dengan penguatan larutan padat yang cukup tinggi dan fraksi volume endapan penguat yang relatif besar.
2. Paduan kaya Ni dengan mengandalkan penguatan fasa kedua 𝛾' (Ni₃Cb)
3. Paduan kaya Fe dari sistem Fe-Ni-Co yang diperkuat oleh 𝛾'. Dalam paduan ini unsur penstabil Ferit dari pengurangan ini adalah menurunnya ketahanan oksidasi.
4. Paduan yang mengandalkan penguatannya pada kabrida, ditrida, dan borida.
Paduan Fe-Al
Paduan Fe dari paduan Fe-Al digunakan cukup luas karena kombinasi yang baik dari sifat-sifat mekanik dan magnetik. Disamping aplikasi sebagai material fungsional paduan Fe-Al juga atraktif untuk diaplikasikan sebagai struktur karena memiliki ketahanan yang lebih tinggi dibandingkan besi, ketahanan korosi yang tinggi dan tidak mahal. Paduan Fe-Al dengan kandungan Al yang cukup akan menghasilkan dua fasa order, yaitu DO₃ (Fe₃Al) dan B2 (FeAl).
Fasa Fe₃Al stabil pada temperatur yang lebih rendah, sedangkan fasa Fe-Al stabil pada temperatur yang lebih tinggi untuk kandungan Al<35%at. Pada temperatur tinggi, paduan Fe-Al akan membentuk larutan padat dengan struktur kristal BBC yang disordered. Besi dan alumunium dapat membentuk senyawa intermetalik dengan sifat yang berbeda-beda yang tergantung terhadap Al. Dari Diagram biner Fe-Al pada Gambar 5, empat fasa yang berbeda akan terbentuk, yaitu :
- Fasa 𝛼-Fe (A2), larutan padat yang disordered denga struktur kristal BBC dan Al dapat terlarut sampai dengan konsentrasi 20%at pada temperature kamar.
- Fasa 𝛾-Fe, larutan padat yang disordered dengan struktur kristal FCC dan Al hanya dapat larut sampai dengan konsentrasi>1.3%at.
- Fasa ordered FeAl dengan struktur kristal kubik (B2) mirip seperti CsC1 dan pembentukannya berasal dari transformasi 𝛼-Fe.
- Fasa ordered Fe₃Al dengan struktur kristal seperti BiF3 (DO₃) dan pembentukannya melalui transformasi dari fasa FeAl.
Besi aluminide dengan fasa Fe₃Al dan FeAl cukup menarik untuk dikembangkan menjadi kandidat sebagai material temperatur tinggi. Material ini sangat ekonomis dan mempunyai ketahanan aus yang baik, dan juga memiliki ketahanan oksida, sulfidisasi dan korosi yang baik.
Paduan intermetalik Fe₃Al merupakan material yang menjanjikan untuk digunakan pada temperatur tinggi karena cost yang rendah, ketahanannya meningkat dengan meningkatnya temperatur selama masih dibawah temperatur 600⁰C, disamping ketahanan oksidasi dan sulfidasi yang sangat baik. Namun, karena sifat duktilitasnya yang buruk menyebabkan paduan ini kurang dapat digunakan sebagai material struktur. Masalah ini kemudian diatasi dengan menambahkan Cr, proses termomekanik atau perlakuan permukaan. Perkembangan besar telah dilakukan dalam penelitian tentang paduan intermetalik Fe₃Al dalam 10 tahun terakhir. Semua yang dilakukan tersebut bertujuan untuk mengembangkan paduan intermetalik Fe₃Al secara intensif.
Oksida-oksida yang terbentuk selama proses oksidasi yaitu Fe₂O₃/FeAl₂O₃. Dengan peningkatan kandungan alumunium dalam paduan akan menyebabkan semakin mudahnya pembentukan lapisan protektif Al₂O₃ dan akan menyebabkan paduan yang dihasilkan semakin tahan terhadap oksidasi pada temperatur tinggi. Penambahan unsur-unsur lain umumnya bertujuan untuk meningkatkan sifat fisik dari material, seperti kekuatan, ductility, ketahanan terhadap creep ataupun ketahanan terhadap fatigue.
Paduan Ni-Al
Nikel dan paduan logam dasar nikel menjadi sangat penting penggunaannya dalam industri modern karena ketahanannya terhadap kondisi operasi yang dikenakan seperti didalam lingkungan korosif, temperatur tinggi, tegangan yang berlebih, dan kombinasi dari faktor-faktor tersebut. Ada beberapa alasan yang menyebabkan nikel mempunyai kemampuan tersebut. Nikel murni memiliki sifat ductile dan tangguh karena bentuk kristalnya FCC, nikel mempunyai ketahanan korosi pada atmosfer normal. Nikel adalah unsur yang serbaguna dan dapat dipadukan dengan banyak logam yang lain. Kelarutan padat yang sempurna antara nikel dan tembaga, kelarutan yang besar dengan besi, sehingga nikel dapat membuat banyak kemungkinan kombinasi paduan. Nikel merupakan logam dasar yang sangat baik untuk membuat paduan spesial. Fasa intermetalik dapat dibentuk antara nikel dengan beberapa pemadu yang akan menghasilkan paduan dengan kekuatan tinggi untuk pemakaian temperatur rendah maupun penggunaan pada temperatur tinggi.
Penambahan unsur-unsur pemadu (Al dan Ti) mengakibatkan munculnya fasa ℽ' [Ni(Al,Ti)] yang koheren sehingga dapat memberikan efek penguatan. Tetapi fasa ℽ dan fasa ℽ' memiliki parameter kisi yang berbeda. Perbedaan ini menghasilkan regangan koheren yang dapat menghalangi pergerakan dislokasi sehingga menghasilkan pengeseran presipitat. Unsur-unsur seperti kromium dan alumunium yang ditambahkan, bertujuan untuk meninkatkan proteksi terhadap hot corrosion dan oksidasi temperatur tinggi.
Prinsip utama yang penting yaitu bahwa semua material yang diekspos ke lingkungan temperatur tinggi secara kimia strukturnya dinamis dan tidak stabil. Fasa-fasa yang ada secara tetap bereaksi dan berinteraksi. Fasa-fasa yang dapat muncul berdasarkan diagram fasa biner Ni-Al yang ditunjukan melalui gambar 6 yaitu matriks ℽ, endapan ℽ' dan karbida.
a. Matrik Austenik
Matriks austenik ℽ memiliki struktur kristal FCC (face centered cubic), merupakan larutan padat yang terdiri dari Ni sebagai unsur utama dan unsur terlarut. Dari analisa fasa paduan superalloy Ni yang kompleks disimpulkan bahwa unsur-unsur utama pembentukan larutan padat matriks ℽ adalah Co, Fe, Cr, Mo, W, V, Ti, dan Al. Unsur-unsur ini meningkatkan kekuatan paduan dengan cara menghambat pergerakan dislokasi. Penguatan terjadi karena distorsi kisi dan perubahan modulus geser akibat adanya atom-atom terlarut.
b. Fasa Gamma Prime
Endapan senyawa A₃B FCC (ℽ') pada superalloy austenitik merupakan suatu senyawa yang sangat menguntungkan meskipun pada dasarnya kegunaannya dibatasi pada metriks nikel tinggi. Pada dasarnya formula endapan ℽ' ialah senyawa Ni₃Al. Senyawa ini memiliki kristal FCC dimana atom nikel menempati posisi bagian muka atom dan atom Al menempati posisi sudut (corner). Unsur-unsur yang lebih elektronegatif dari Al, seperti titanium, niobium, dan tantalum akan mensubtitusi unsur Al dalam struktur kristal Ni₃Al. Sebaliknya unsur-unsur yang lebih elektropositif seperti besi, kolbalt, akan mensubtitusi nikel. Berdasarkan diagram fasa biner Ni-Al pada gambar 6 terdapat dua jenis endapan ℽ' (Ni₃Al) yang mungkin terbentuk. Pertama, ℽ' primer yang terbentuk melalui transformasi cair-padat baik sepanjang garis liquidus maupun melalui reaksi eutektik. Kedua, ℽ' sekunder yang terbentuk melalui transformasi padat pada temperatur dibawah eutektik. Dalam paduan polikristalin, ℽ' primer umumnya terdistribusi sepanjang dan sekitar batas butir. Sedangkan ℽ' sekunder tersebut tersebar secara homogen didalam matriks dan memiliki distribusi ukuran relatif homogen.
c. Karbida
Berbagai jenis karbida dengan struktur dan morfologi yang berbeda dapat muncul dalam superalloy nikel tergantung pada komposisi paduannya. Tiga jenis utama karbida yang sering muncul dalam superalloy nikel adalah MC, M₂₃C, M₆C, dimana M mewakili satu atau lebih logam. Perlakuan panas dan kondisi operasi juga dapat mempengaruhi timbulnya karbida karbida tersebut.
Oksidasi paduan Ni-Al akan menghasilkan oksida oksida yang terbentuk antara lain kerak NiO/NiAl₂O₄/Al₂O₃.
Pengaruh Penambahan Al Pada Paduan Fe-Ni
Penambahan Al dalam paduan Fe-Ni dimaksudkan untuk pembentukan fasa intermetalik sebagai artikel penguat. Oleh sebab itu, Al mempunyai peranan yang penting dalam pebuatan paduan ini. Akan tetapi, Al dalam paduan ini mempunyai batasan tertentu untuk menghindari paduan menjadi getas. Fasa fasa yang dapat terbentuk dalam paduan Fe-Ni-Al adalah FeAl,NiAl, dan Fe₃Al yang merupakan fasa intermetalik FeAl dan NiAl memiliki struktur kristal FCC (face centered cubic) sedangkan Fe₃Al memiliki struktur BCC (body centered cubic).
Selain itu, penambahan Al juga untuk meningkatkan ketahanan oksidasi paduan pada temperatur tinggi melalui pembentukan Al₂O₃ yang protektif dan stabil. Fasa intermetalik Fe₃Al dan FeAl dalam paduan intermetalik alumida memiliki sifat yang sangat baik pada temperatur tinggi. Kedua paduan tersebut mempunyai ketahanan oksida yang baik karena mampu membentuk kerak oksida protektif Al₂O₃ pada temperatur tinggi dan lingkungan yang korosif. Paduan intermetalik ini menunjukan laju korosi sulfidisasi yang lebih rendah dari pada paduan dengan bahan dasar besi yang lain (termasuk yang telah di coating).
No comments:
Post a Comment