ABSTRAK

PENGARUH TEMPERATUR PERLAKUAN PANAS (HEAT TREATMENT)

TERHADAP KESTABILAN FASA-FASA SENYAWA ANTARLOGAM Ti-Al-Zr

ABSTRAK

Paduan TiAl merupakan dasar dari campuran senyawa antara logam Ti dan Al yang mempunyai potensi sebagai bahan airframe high performance dan turbin gas. Paduan ini mempunyai massajenis yang rendah, temperatur lebur yang tinggi, dan kekuatan pada temperatur tinggi yang baik. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas terhadap kekerasan dan kestabilan paduan logam Ti-Al, juga untuk mengetahui pengaruh panas terhadap kekerasan dan kestabilan fasa-fasa paduan Ti-Al dengan penambahan unsur Zr. Harga kekerasan pada paduan Ti-Al setelah proses perlakuan panas mengalami penurunan seiring dengan peningkatan temperatur pemanasan, dimana harga kekerasan sebelum proses perlakuan panas adalah 543,23 kg/mm2 dan harga kekerasan pada pemanasan tertinggi yaitu pada temperatur 1000oC adalah 525,93 kg/mm2.

PENDAHULUAN

Paduan TiAl merupakan dasar dari campuran senyawa antara logam Ti dan Al yang mempunyai potensi sebagai bahan airframe high performance dan turbin gas. Paduan ini memiliki massa jenis yang rendah, temperatur lebur (leleh) yang tinggi, kekuatan pada temperatur tinggi yang baik dan ketahanan mulur yang baik pula. Paduan ini dapat dihasilkan dari bahan baku yang berbentuk ingot dan serbuk.(1) Perlakuan panas terhadap titanium dan titanium paduan pada dasarnya dilakukan untuk:

Menurunkan tegangan sisa yang timbul selama pembuatan.

Menghasilkan kombinasi optimum dari keuletan, mampu mesin dan

struktur yang stabil.

Meningkatkan kekuatan.

Meningkatkan sifat-sifat khusus seperti: keuletan, kuat lelah dan kuat

mulur pada temperatur tinggi.

Berbagai bentuk dari perlakuan annealing (contoh: single, duplex, beta dan rekristralisasi), pengerjaan panas dan perlakuan aging sangat menentukan dalam memperoleh sifat mekanik yang diinginkan.(2) Paduan titanium-alumunium memiliki kekuatan yang tinggi, kekakuan yang tinggi dan aplikasi yang baik pada temperatur yang tinggi. Berdasarkan keunggulan sifatnya dan didukung oleh sifat ketahanan korosi yang baik pada temperatur tinggi, maka paduan ini banyak digunakan pada industri pesawat terbang sebagai bahan paduan yang dominan tetapi terbatas jumlahnya karena paduan ini pada temperatur diatas 7000C keuletannya menurun.(3) Pada penelitian ini dilakukan penambahan unsur zirconium (Zr) pada paduan Ti-Al dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan unsur tersebut

terhadap sifat mekanik (khususnya kekerasan) paduan logam Ti-Al serta mengetahui kestabilan fasa-fasa senyawa antarlogam yang terjadi setelah proses perlakuan panas dengan temperatur tertentu.

Maksud dan tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui:

1. Pengaruh perlakuan panas terhadap kekerasan dan kestabilan fasa-fasa

senyawa antarlogam Ti-Al.

2. Pengaruh perlakuan panas terhadap kekerasan dan kestabilan fasa-fasa

senyawa antarlogam Ti-Al dengan penambahan Zr

Pada penelitian ini proses pembuatan paduan dilakukan dengan cara melebur logam. Komposisi kimia dari titanium dan alumunium yang digunakan pada penelitian iniditunjukan pada Tabel 1.

Komposisi kimia dari titanium dan alumunium dengan penambahan Zr yang digunakan pada penelitian ini ditunjukan pada Tabel 2.

Temperatur laku panas adalah 800oC, 900oC dan 1000oC dengan holding time 120 menit kemudian di-quench dengan media air. Evaluasi yang dilakukan terhadap hasil laku panas adalah:

Uji komposisi kimia

Difraksi sinar-X

Metalografi : - Mikroskop optik

- SEM dan EDS

Uji kekerasan

Diagram Alir Penelitian

Langkah-langkah penelitian yang dilakukan diperlihatkan pada Gambar 1.

DATA DAN PEMBAHASAN

Hasil pengujian komposisi kimia

Dari hasil pengujian komposisi kimia diperoleh data seperti pada Tabel 3.

Hasil karakterisasi difraksi sinar-X (XRD)

Puncak-puncak pola hasil karakterisasi difraksi sinar-X paduan Ti-50%Aldiperlihatkan pada Gambar 2. Dari hasil karakterisasi dengan difraksi sinar-X padapaduan Ti 50% Al non heat treatment terlihat bahwa fasa TiAl merupakan fasa utama paduan logam.

Gambar 2. Hasil XRD paduan Ti-50%Al (W%) non HT

Dari karakterisasi dengan difraksi sinar-X pada paduan Ti 49%Al-1%Zr pada temperatur 9000C terlihat bahwa fasa TiAl masih merupakan fasa utama dalam paduan. Hasil analisa XRD Ti-45%Al-5%Zr yang belum mengalami heat treatment terlihat bahwa fasa TiAl masih dominan disamping muncul puncak ZrAl. Hasil karakterisasi struktur mikro dengan Mikroskop Optik dan SEM.Pada struktur mikro paduan Ti-50%Al non heat treatment terlihat inti dendrite mulai terbentuk dan inti dendrit tersebut tumbuh semakin besar jika temperatur heat treatment semakin tinggi juga terjadi pengelompokan fasa pada batas butir yang juga semakin membesar. Pada struktur mikro paduan Ti-49%Al-1%Zr dan Ti-47%Al- 3%Zr sama halnya dengan pada struktur mikro Ti-50%Al terjadi pertumbuhan dendrit dan kelompok fasa pada daerah batas butir seiring dengan meningkatnya temperatur heat treatment . Pada struktur mikro paduan Ti-45%Al-5%Zr non heat treatment terbentuk inti fasa seperti terlihat pada gambar 3 a dan 3 b dimana jika dilakukan heat treatment akan tumbuh membentuk struktur dendrit .

Gambar 3 a. Foto struktur mikro 50%Ti-45%Al-5%Zr (W%) non heat treatment pembesaran 300x, 4% HF + air, mikroskop optic. Gambar 3.b. Foto struktur mikro 50%Ti-45%Al-5%Zr (W%) T=800oC pembesaran 300x, 4% HF + air, mikroskop optic. Semakin tinggi temperatur heat treatment maka inti fasa tersebut akan semakin membesar dan berkumpul dibatas butir

Gambar 4. Foto struktur mikro Ti-50%Al Non HT hasil SEM, pembesaran 1000x

Gambar 5. Foto struktur mikro Ti-50%Al Non HT hasil SEM, pembesaran 3500x

Tabel 4. Hasil EDS Ti-50%Al Non HT

Tabel 5. Hasil EDS Ti45%Al-5%Zr

Hasil pengujian kekerasan

Tabel 6. Hasil uji kekerasan Vickers

Gambar 6 Diagram pengujian kekerasan ( kekerasan terhadap temperatur)

Pada Gambar 6 ditunjukkan grafik hasil uji kekerasan sample paduan Ti-Al dan Ti-Al-Zr pada berbagai temperatur heat treatment. Dari grafik tersebut terlihat adanya kecenderungan bahwa naiknya temperatur heat treatment akan menurunkan harga kekerasannya, kecuali untuk sample 2 dan 3 dimana bila dilakukan heat treatment pada temperatur 9000C harga kekerasannya lebih tinggi dibanding kekerasan awalnya.

Gambar 7.Diagram pengujian kekerasan ( kekerasan terhadap sampel)

Pada Gambar 7 diperlihatkan grafik hasil pengujian kekerasan sample Ti-Al dan Ti-Al-Zr dengan komposisi Zr yang berbeda. Gambar tersebut menunjukkan bahwa naiknya jumlah kandungan Zr sampai 1% pada Ti-Al akan menurunkan kekerasan paduan Ti-Al. Penambahan Zr sampai 3% akan menaikkan kekerasannya, kemudian penambahan jumlah Zr lebih lanjut akan menurunkan kekerasannya.

PEMBAHASAN

Hasil pengujian komposisi kimia paduan hasil peleburan dengan spektrometri ditunjukkan pada Tabel 3 terlihat bahwa terdapat perbedaan komposisi kimia hasil perhitungan seperti diperlihatkan pada Tabel 1 dan Tabel 2.

Dari hasil penimbangan material sebelum dan setelah proses peleburan yang ditunjukan pada Tabel 7 terlihat pengurangan berat spesimen. Hal ini terjadi akibat adanya proses konveksi pada proses peleburan, dimana proses konveksi tersebut menyebabkan unsur yang mempunyai titik cair terendah akan naik ke permukaan dan menguap sehingga berat spesimen setelah peleburan lebih rendah disbanding sebelum proses peleburan. Namun demikian perbedaan komposisi kimia tersebut dapat diterima karena masuk dalam daerah kestabilan seperti yang diperlihatkan pada Tabel 1 dan 2.

Tabel 7.Ukuran spesimen setelah peleburan

Berdasarkan diagram fasa kesetimbangan Ti-Al, pada paduan Ti-50%Al (%w) diperlihatkan fasa-fasa yang terbentuk pada kondisi setelah proses peleburan yaitu; pada temperatur 14520C fasa yang terbentuk adalah fasa cair dan pada saat pendingan diantara temperatur 14520C - 14320C akan terbentuk fasa cair + TiAl (), sedangkan pada pendinginan lebih lanjut pada temperatur dibawah 14320C akan terbentuk fasa TiAl. Hal ini sesuai dengan hasil pengujian dengan menggunakan difraksi sinar-X pada Gambar 2 dimana puncak-puncak pola difraksi hasil pengujian paduan Ti-50%Al sebelum proses perlakuan panas dan Ti-49%Al-1%Zr setelah mengalami perlakuan panas temperatur 9000C menunjukkan bahwa TiAl merupakan fasa utama. Sedangkan pada puncak-puncak pola hasil difraksi paduan Ti-45%Al- 5%Zr sebelum mengalami proses perlakuan panas terlihat bahwa fasa TiAl masih merupakan fasa dominan disamping munculnya puncak ZrAl.

Dari hasil pemeriksaan metalografi terhadap spesimen hasil peleburan paduan Ti-Al dan Ti-Al-Zr terlihat bahwa paduan logam mempunyai struktur dendritik seperti diperlihatkan pada Gambar 3. Struktur dendritik tersebut disebabkan oleh perubahan temperatur selama pembekuan logam pada saat pendinginan berlanjut (under cooling) yang dipengaruhi rasio gradien temperatur per laju pembekuan. Pada proses peleburan tersebut juga terdapat porositas dimana hal tersebut terjadi karena terjebaknya gas argon pada saat pembekuan logam. Setelah proses heat treatment dilakukan struktur dendritik pada paduan logam Ti-Al dan Ti-Al-Zr sudah berkurang.

Struktur mikro senyawa antarlogam Ti-50%Al hasil SEM-EDS seperti terlihat pada Gambar 4, dan Tabel 4 pada titik 1, %atom Ti sebanding dengan % atom Al hal ini mengakibatkan daerah tersebut membentuk fasa TiAl. Pada titik 2, %atom Ti lebih besar dibanding %atom Al, karena pada daerah tersebut fasa yang terbentuk Ti3Al sedangkan pada titik 3, %atom Al lebih besar dibanding %atom Ti karena pada daerah tersebut fasa yang terbentuk adalah TiAl2.

Struktur mikro senyawa antarlogam Ti-50%Al-5%Zr hasil SEM-EDS seperti terlihat pada Tabel 5, pada titik 1 %atom Ti lebih besar dari %atom Al dan %atom Zr karena pada daerah tersebut fasa yang terbentuk adalah Ti3Al. Fasa TiAl yang terbentuk pada titik 2, karena pada daerah tersebut %atom Al lebih besar dari %atom Ti dan Zr, sedangkan %atom Ti yang sangat dominan pada titik 3 mengakibatkan daerah tersebut memiliki fasa Ti.

Harga kekerasan hasil proses heat treatment lebih rendah dibandingkan dengan harga kekerasan hasil proses non heat treatment hal ini disebabkan karena pada proses non heat treatment terdapat tegangan sisa, tegangan sisa inilah yang mempengaruhi harga kekerasan pada proses non heat treatment tinggi. Setelah paduan Ti-Al dan Ti-Al-Zr dipanaskan maka akan terjadi penurunan tegangan sisa sehingga paduan akan menjadi lunak. Turunnya kekerasan paduan juga disebabkan oleh turunnya jumlah kandungan Al pada paduan Ti-Al.

Turunnya kekerasan untuk paduan Ti-Al dengan kandungan Zr 1% disebabkan turunnya jumlah kandungan Al pada paduan Ti-Al, sedangkan pada kandungan Zr 3% terjadi kenaikan harga kekerasan Ti-Al. Hal tersebut menunjukkan bahwa pengaruh paduan Zr untuk menaikkan kekerasan lebih dominan bila dibandingkan dengan penurunan kekerasan yang diakibatkan oleh turunnya kandungan Al dalam paduan Ti-Al. Untuk penambahan Zr sebesar 5% terjadi penurunan kekerasannya, hal ini disebabkan jumlah penambahan Zr sudah melampaui batas maksimal penambahan Zr sehingga penambahan Zr lebih lanjut justru akan menurunkan kekerasannya.

KESIMPULANDari hasil penelitian maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1.Harga kekerasan senyawa antarlogam Ti-Al setelah proses perlakuan panas mengalami penurunan dibanding kekerasan awalnya, dimana harga kekerasan sebelum proses perlakuan panas adalah 543,23 Hv dan harga kekerasan pada pemanasan tertinggi yaitu pada temperatur 1000oC adalah 525, 93 Hv.

2.Harga kekerasan paduan Ti-Al cenderung menurun seiring dengan meningkatnya penambahan unsur Zr, kecuali pada sample 3 harga kekerasannya pada temperatur 900oC dibanding dengan harga kekerasan awal paduan Ti-Al-Zr, dimana harga kekerasan pada paduan Ti-Al sebelum penambahan unsur Zr adalah 543,23 Hv sedangkan dengan penambahan unsur Zr 5% harga kekerasannya adalah 540,67 Hv pada spesimen non heat treatment, dan pada penambahan Zr 3% temperatur 900oC kekerasannya adalah 543,23 Hv, sedangkan kekerasan awalnya adalah 540,88 Hv.3.Fasa yang stabil pada paduan logam Ti-Al dan Ti-Al dengan penambahan unsur Zr yaitu pada Ti-50%Al dan Ti-45%Al-5%Zr setelah perlakuan panas adalah TiAl.DAFTAR PUSTAKA1.G. X Wang and M. Dahms, Influence of Heat Treatment on Microstructure of Ti- 35 Wt.%Al Prepared by Elemental Powder Metallurgy, Scripta Metallurgica et Materialia, Vol. 26 Hal 717, 1992.

2.ASM Metal handbook, Heat Treating of Titanium and Titanium Alloys, by the ASM committee of Titanium and Titanium Alloys, ASM Metal handbook vol 8, 8th Edition, 1979, Hal 763.

3.M. Bououdma, Z. Luklinska and Z. X. Guo ,Mechanical Alloying of Fine Structured Ti-Al-Nb Alumides Involving Ti-Hydride, Materials Science Forum Vols 360-365, 2000, Pp 421.

4. Bill Seeley, Guide to Using the Reactive Metals,JOM, 1998.

5.ASM Metal handbook, Microstructure of Titanium and Titanium Alloys by the ASM Committee on Metallography of Titanium and Titanium Alloys, ASM Metal handbook Vol 1, 8th Edition, 1979, Hal 46.

6. ASTM E407, Standar Method for Mikro Eatching Metals and Alloys.

7.Smith, Williams. F, "Principles of Materials Science and Enginering", pp 102- 103,

Mc Graw-Hill Book, 1990.

8.Sriatie Djaprie dan Vlack, L.,V, " Ilmu Teknologi Bahan ( Ilmu logam dan bukan logam)", pp. 101-102, Erlangga, 1995.

9. Rothery, H., Principles of Phase Diagrams in Materials System , Hal 5-7,

Speringer Vorlag Berlin Heidelberg, 1982.

10. ASM Handbook, Alloys Phase Diagram , hal 244, 1992.

11. ASM Metal Handbook Vol 1, 8th Edition, 1979.

12. ASM Metal HandbookVol 9, 9th Edition, 1995.

13