BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Superalloy atau biasa disebut high-performance alloy, adalah sebuah

paduan dua logam atau lebih mempunyai sifat kekuatan mekanik yang sangat

baik dan ketahanan mulur pada suhu tinggi, stabilitas permukaan yang baik, dan

korosi serta ketahanan oksidasi. Superaloy biasanya memiliki matriks dengan

struktur berpusat muka austenitik kristal kubik. Dasar elemen paduan pada

superalloy umumnya adalah nikel, kobalt, nikel atau besi.

Superalloy berbasis nikel banyak digunakan di dalam mesin pesawat

terbang dan turbin gas pembangkit listrik sebagai material turbin blade karena

memilki kemampuan untuk mempertahankan kekuatan struktur (creep, fatigue)

dan kestabilan permukaan (oksidasi, korosi) pada suhu tinggi.

Sifat - sifat mekanis pada superalloy dipengaruhi oleh struktur mikro.

Untuk mengetahui struktur mikro yang terdapat pada superalloy perlu diadakan

pengujian yaitu dengan uji metalografi.

1.2 Perumusan Masalah

Dalam penulisan ini penulis melakukan perumusan permasalahan, yaitu

mengenai bagaimana cara melakukan teknik metalografi pada logam superalloy.

. 1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan dari penulisan ini adalah untuk menambah wawasan mengenai

teknik metalografi pada superalloy.

1

1.4 Manfaat Penulisan

Beberapa manfaat dari penulisan ini, yaitu :

1. Menambah pengetahuan dan pengalaman belajar mengenai teknik

penulisan yang baik dan benar.

2. Mendapatkan ilmu di bidang mesin, khususnya pada hal-hal yang berkaitan

dengan teknik metalografi.

3. Mengetahui secara lebih dalam sifat-sifat dan karakteristik superaloy.

1.5 Metode Pengumpulan data

Dalam penyusunan karya tulis ini, penulis memperoleh data dan informasi

dari internet yang berhubungan dengan judul karya tulis ini serta permasalahan

yang ada.

1.6. Pembatasan Masalah

Dalam penyusunan karya tulis ini, permasalahan yang akan dibahas hanya

teknik metalografi yang dilakukan pada superalloy.

1.7. Sistematika Penulisan

Pada penulisan karya tulis ini, terdiri dari 4 bab yaitu :

1. BAB I Pendahuluan

Dalam bab ini berisi latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan

penulisan, manfaat penulisan, dari sistematika penulisan.

2. BAB II Tinjauan Pustaka

Pada bab ini dibahas mengenai pokok dari metalografi pada superalloy.

3. BAB III Analisa dan Pembahasan

Bab ini membahas tentang permasalahan berupa tahapan-tahapan dalam

melakukan metalografi pada superalloy.

4. BAB IV Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan dan saran dari penulis tentang pembahasan dari karya tulis ini.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Superalloy

Superalloy atau biasa disebut high-performance alloy, adalah sebuah

paduan dua logam atau lebih mempunyai sifat kekuatan mekanik yang sangat

baik dan ketahanan mulur pada suhu tinggi, stabilitas permukaan yang baik, dan

korosi serta ketahanan oksidasi. Superaloy biasanya memiliki matriks dengan

struktur berpusat muka austenitik kristal kubik. Dasar elemen paduan pada

superalloy umumnya adalah nikel, kobalt, nikel atau besi.

Superalloy biasanya terdiri dari matriks austenitic yang kristal strukturnya

adalah FCC kemudian ditambahkan dengan logam Nikel dan Cobalt atau

paduan lain sepert Iron-nickel. Material superalloy saat ini lebih banyak

diaplikasikan dibidang dirgantara dan industri pembangkit energi, salah satu

contohnya adalah superalloy sbagai material yang digunakan untuk membuat

Turbin Blade mesin pesawat jet. Jenis-jenis superalloy yang ada di pasaran bisa

yang biasa kita temui adalah Hastelloy, Inconel, Waspaloy, Rene Alloys,

Haynes alloys, Incoloym MP98T, TMS Alloys dan sebagainya.

3

Gambar 2.1. Skema sederhana tentang bagaimana mekanisme penguatan superalloy

berbasis Nikel 8(a) interaksi dislokasi dengan fase γ′, sebuah fase kristalin yang

koheren (b) struktur yang terbentuk setelah proses penguatan dangan cara larutan

padat dengan Molybdenum (c) Penguatan dengan Carbide di batas butir (d) Fasa γ

halus untuk penguatan suhu rendah

Gambar 2.2. Kristal struktur dari fase γ (kiri) dan fase γ’ (kanan)

4

Gambar 2.3. Mikrostruktur dari single kristal superalloy berbasis nickel setelah proses

heat treatment. Terlihat pada gambar di atas fase γ’ terendap (precipitate) pada

matriks γ

Salah satu aplikasi dari superalloy adalah Turbin Blade. Turbin Blade yang

dibuat dari superalloy berbasis Nikel Superalloy pada umumnya digunakan untuk

pembuatan turbin gas yang dalam pemakaiannya selalu terkena suhu tinggi. Oleh

karena itu dibutuhkan material yang tidak hanya mempunyai kekuatan tinggi namun

juga ketahanan creep yang mumpuni maupun ketahanan korosi dan oksidasi.

Aplikasi lainnya dari penggunaan material superalloy ini yaitu sebagai material bodi

pesawat luar angkasa, kapal selam, reaktor nuklir, mobil berdaya besar, dan heat

exchanger.

Gambar 2.4. Turbine Blade

5

2.2. Sifat Mekanis dan Kekuatan Superalloy

Kekuatan mekanik dari superalloy bahkan pada suhu tinggi disebabkan

dengan adanya mekanisme penguatan material dengan cara penguatan larutan

padat atau solid solution strengthening.

2.1.1 Ketahanan Deformasi pada Suhu Tinggi (Creep)

Kekuatan creep ditentukan oleh dislokasi yang bergerak aktif pada suhu

tinggi. Untuk superalloy berbasis nikel, terbentuk fasa gamma Ni3(Al,Ti)

tidak hanya berfungsi sebagai penguat namun juga penahan laju dislokasi.

Penambahan aluminium dan titanium ini yang menyebabkan terbentuknya fase

gamma tersebut. Supaya optimal, dalam artian bahwa ukuran dan penyebaran

dari fasa gamma ini harus dikontrol yaitu dengan metode heat treatment.

Gambar 2.5.Kurva creep dan relevan mikrostruktur dari superalloy single crystal

berbasis nickel

6

Gambar 2.6. Superalloy berbasis nikel, TMS82 pada saat tahap awal proses primary

creep. Pita-pita hitam halus gambar di atas adalah pergerakan dislokasi yang melewati

endapan/fasa kedua (precipitate) dan matriks.

7

Gambar 2.7. Mikrostruktur dari superalloy berbasis nickel setelah 1000 jam pada suhu

1000 °C. Terlihat dalam gambar, terjadi lapisan tipis oksida di permukaan,

penambahan massa oksida superalloy sangatlah rendah/kecil.

Gambar 2.8. Penambahan Aluminide dan titanium sebagai bahan pelapis pada

superalloy berbasis nikel

8

BAB III

ANALISA DAN PEMBAHASAN

3.1. Tahap Uji Metalografi pada Superalloy

Ada beberapa tahapan dalam melakukan uji metalografi pada superalloy.

Tahapan-tahapannya yaitu : 

1. Persiapan sampel

2. Pemotongan sampel

3. Mounting Spesimen

4. Curing

5. Gerinding dan Polishing

6. Etsa

7. Menganalisa Spesimen

3.1.1. Persiapan Sampel

Untuk membuat persiapan lebih mudah dilakukan, pertama kita sketsa

posisi di mana sampel akan dipotong. Sebagai contoh, kita ingin memotong

baling-baling diatas. Dalam hal ini, kita memilih posisi di Leading Edge

(baling-baling bagian depan), bagian Tengah, dan juga Trailing Edge (akhir

baling-baling bagian).

9

Gambar 3.1. Lokasi Pemotongan Sampel

3.1.2. Pemotongan Sampel

Gambar 3.2. Sampel yang Telah Dipotong

Dari gambar di atas, kita melihat baling-baling (vane) dan Blade yang

telah dipotong. Metode pemotongan biasanya menggunakan gergaji intan, atau

menggunakan kawat potong karena blade dan baling-baling memiliki

kekerasan yang tinggi sehingga sangat sulit untuk dipotong.

3.1.3. Mounting pada Spesimen

Spesimen yang telah dipotong kemudian akan dibingkai (mounting)

dengan menggunakan resin (dengan penambahan hardener untuk curing).

Mounting bertujuan agar memudahkan pengoperasian proses selanjutnya

(mudah untuk dipegang).

10

Gambar 3.3. Resin dan Hardener untuk Bahan Mounting

3.1.4. Curing

Sampel yang telah dimounting didiamkan setelah sekitar setengah

sampai satu jam setelah proses mounting. Sampel ini kemudian akan terus

dilakukan proses grinding dan polishing

3.1.5. Grinding and Polishing

Spesimen kemudian digerinda menggunakan kertas silika karbida,

dimulai dengan grit 100 sampai 1500 (atau tergantung pada kebutuhan).

Setelah permukaan spesimen menjadi halus, spesimen kemudian dipoles

menggunakan bubur dari Al2O3 (atau alternatif). Permukaan akan terlihat

seperti cermin. Kemudian segera dietsa untuk tidak dibiarkan terbentuknya

oksida di permukaan.

11

Gambar 3.4. Cairan Alumina(Al2O3 ) untuk Proses Polishing

3.1.6. Etching

Etsa yang digunakan untuk setiap paduan berbeda (lihat tabel). Prinsip

etsa adalah untuk "memakan" beberapa batas butir dan matriks pada spesimen.

Misalnya, untuk etsa paduan Aluminium etsa berbeda dengan untuk etch

Stainless Steel.

Untuk contoh nikel dan nickel-base and cobalt-base alloys, dengan

ketahanan korosi unggul, yang dietsa menggunakan Waterless Kalling’s,

Glyceregia, Acetic Glyceregia dan Ralph’s. Jika etsa biasanya digunakan

untuk sangat tahan suhu paduan stainless dan tinggi tidak bekerja, HCL +

H2O2 dapat digunakan. Paduan ini biasanya harus dietsa secara perlahan.

Tantangan dengan paduan ini adalah untuk menutup kecenderungan

alami mereka untuk menyesuaikan diri cepat dengan adanya oksigen. Untuk

secara efektif dalam memproses nilai, etsa harus dilakukan segera setelah

pemolesan akhir. Pembilasan, pengeringan dan etsa harus dilakukan tanpa

penundaan.

Ketika etsa paduan ini sangat tahan, ETSA harus disiapkan sebelum

proses polishing. Perencanaan ini sebelumnya akan meminimalkan panjang

12

waktu antara polishing dan etching, sehingga memungkinkan evaluasi struktur

mikro lebih efektif. Sampel harus dipoles dan dietsa secara individual daripada

diproses dalam tumpukan.

Table 1 List of Etchants

Etchant No.

Etchant Name

Composition RemarksASTM E 407 Designation

1 Nital (2%)2cc HNO3 + 98cc

Ethyl alcoholImmersion 74 Nital

3 Picral (5%)5gr Picric acid +

100cc Ethyl alcohol

Immersion 76 Picral

4 Oxalic acid10gr oxalic acid +

10cc H2OElectrolytic at 200/400 Ma.

 

6 Nital (5%)5cc HNO3 + 95cc

Ethyl alcoholImmersion - Do Not Store

74 Nital

7HCl in alcohol

15cc HCl + 100cc Ethyl alcohol

Immersion  

8Ferric

Chloride

5g Ferric Chloride + 50cc HCl

+100cc H2O

Use Fresh Swab - Use

Under Hood - Do Not Store

 

9Marble's Reagent

4g CuSO4 + 20cc HCl + 20cc H2O

Immersion or Swab

25 Marble's

10 Viella's5cc HCl + 2gr

Picric acid + 100cc Ethyl alcohol

Immersion or Swab

80 Vilella's (ASTM

contains 1gr Picric)

11Aqua Regia in alcohol

100cc HCl + 3cc HNO3 + 100cc Methyl alcohol

Immersion12 Aqua

Regia

12Chromic

acid10gr CRO3 + H2O

Electrolytic at 200/400 Ma.

 

13 2% H2SO42cc H2SO4 + 98cc

H2O

Use Electrolytic -

Under Hood - 200/400 Ma.

 

15 G12cc H3PO4 + 41cc HNO3 + 47cc H2SO4

Use Electrolytic -

Under Hood - 200/400 Ma.

 

18 Acetic 15cc HCl + 10cc Use Fresh -  

13

Glyceregia (Mixed Acids)

HNO3 + 10cc Acetic Acid + 2/3 Drops Glycerine

Under Hood - Swab - Do Not Store

19Waterless Kalling's

5gr CuCl2 + 100cc HCl + 100cc Ethyl

alcohol

Immersion or Swab

95 Kalling's 2

22 HF + HNO31 to 3cc HF + 2 to

6cc HNO3 + 100cc H20

Swab - Handle with care - HF

cause serious burns - Use in

plastic container HF attacks glass

 

23HNO3 +

H2O75cc HNO3 +

25cc H20

Use Under Hood -

Electrolytic 5 to 7 amps

 

26 Glyceregia15cc HCl +10cc Glycerol + 5cc

HNO3

Use Fresh - Under Hood -

Swab - Do Not Store

87 Glyceregia

28 Ralph's

100cc H2O + 200cc methyl

alcohol + 100cc HCl + 2gr CuCl2 + 7gr FeCl2 + 5cc

HNO3

Swab  

29 Special #410% Sodium

meta-Bisulfate in distilled water

Immersion  

30 Special #520ml HCl + 4ml

H2O2 (3%)Swab  

Note:  Please see ASTM for proper handling of all chemicals.

 

 

 

Table 2 List of Alloys

14

 

Type Etchant Applications Special Notes

403, 405, 410, 420, TrimRite®, Trinamet®

stainless10, 28, 19

General Structure - grain size, carbides,

martensite and ferrite

 

440A, 440B, 440C 10, 26

General structure - grain boundaries,

carbides and martensite

 

41610, 19

General Structure - grain size, carbides,

martensite and ferrite

 

28Excellent sulfide

retention 

304, 304L, 309, 310, 316, 347

10, 26, 4, 12, 28

General Structure - grain boundaries, grain size, carbide

precipitation

 

20Cb-3® stainless 10, 26, 4

General Structure - grain boundaries, grain size, carbide

precipitation

 

30328

General Structure - grain boundaries,

grain size.  Excellent sulfide

retention.

 

26, 10Similar to #11 but sulfides attacked

 

430F, 430FR 10, 19, 18 General Structure  

430 6, 26, 10General Structure - grain boundaries

and grain size 

Chrome Core® 18-FM, Chrome Core 12-FM, Chrome Core 13-FM, Chrome Core 13-

XP

19, 26 General Structure  

Custom 450®, Custom 455®, Custom 465®, Custom 475®,

28 General Structure - martensite and

austenite

 

15

Custom 630, 15Cr-5Ni, Carpenter 13-8

21Cr-6Ni-9Mn, 22Cr-13Ni-5Mn

28, 19, 26

General Structure - grain boundaries, grain size, carbide

precipitation

 

Pyromet® A-286, Pyromet V-57

 

19, 26, 9General Structure, including size and grain boundaries

 

13

Gamma prime precipitates - banding and

depletion

 

NCF 3015(1), Nickel 200/201, Thermo-

Span, Pyromet 720, Carpenter Alloy 925

19, 26

General structure including grain size and grain boundary

precipitate.

 

Pyromet 706, 718, and 901

19. 26

General structure including grain size and grain boundary

precipitate.

 

13

Gamma prime precipitates - banding and

depletion

 

Pyromet 860

19, 26, 15General Structure, including size and grain boundaries

 

13

Gamma prime precipitates - banding and

depletion

 

Waspaloy

19, 26, 15General Structure, including size and grain boundaries

Generally 19 is more effective for aged material and

15 for solution treated material for general structure and grain size.

13

Gamma prime precipitates - banding and

depletion

 

Pyromet® 680 19, 26, 18 General StructureUse 18 in the

annealed condition

16

Pyrowear® 675 10 General Structure  Ti Base Alloys 22, 23 General Structure  

MP35N(2), Alloy 2 (AMS 5842)(3),

MP35N LTi30 General Structure  

BioDur Carpenter CCM®, BioDur CCM

Plus® alloy30 General Structure

Fresh sample needed.  Should

prepare one sample at a time. Use of

Differential Interference

Contrast (DIC) would help.

Pyromet 625, Custom Age 625 PLUS®

26, 18, 19 General Structure

Fresh sample needed.  Should

prepare one sample at a time. Use of

Differential Interference

Contrast (DIC) would help.

BioDur® 108 26 General Structure  Nickel Copper 400 28 General Structure  

Nimark® 200/250/300, Carpenter Ferrium

S53(4)28 General Structure  

AerMet® 310/340 19, 29 General Structure  AerMet 100 19, 29 General Structure  

18Ni - 200 Maraging Steel, 18Ni - 250

Maraging Steel, 18Ni - 300 Maraging Steel

12Prior austenitic

grain boundaries 

Cr-Fe, Glass Sealing 18, Glass Sealing 27,

430F, 446

11, 26, 28, 7, 8

General Structure, grain size

 

Kovar® alloy 28, 26, 19 General Structure  Core Irons 6, 11, 7 General Structure  

Fe and Si Core Irons 11, 7 General Structure  Ni-Cr-Fe - 22-3, 45-5,

42-628, 26, 19 General Structure  

Co-Fe Hy-Sat Alloy 27,

Co-Fe-V Remendur, Hiperco® 50

26, 28, 19 General Structure  

17

Fe-Cr-Al, No. 1 JR® alloy Types 1 and 2

7, 11, 28, 26, 19

General Structure  

W1, O2, L6, D3, A2, A6, D2, T1, M2, M4, M42, H11, H12, H13,

H21, M50

1, 6, 3, 11 General Structure  

10Prior austenitic

grain boundaries 

52100 1 General Structure  

CATATAN: etsa tercantum dalam urutan preferensi. Semua etsa harus digunakan pada permukaan yang baru dipoles. Agar meningkatkan kekuatan, etsanya adalah: Nital, Villelas, Ralph, Glyceregia, Acetic Glyceregia, Waterless yang Kalling, dan Asam klorida + Hidrogen Fero.

3.1.6. Analisa Spesimen

Gambar 3.4. Spesimen yang Dianalisa Oleh Mikroskop Elektron

18

Gambar 3.5. Sampel yang dilihat dengan mikroskop

Dari gambar, kita dapat melihat korosi pada lapisan luar logam. Dan korosi juga sudah melewati batas butir dan juga akan akan lulus butir lain. Tingkat korosi dapat diukur dengan mengukur kedalaman skala korosi dan skala interdifusi mendalam. Dalam hal ini, kita dapat mengidentifikasi bagaimana melindungi logam ini, jadi hal ini tidak terjadi lagi.

3.2 Proses Pembuatan Peniti

19

BAB IV

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Dari pembahasan sebelumnya yang telah diterangkan pada BAB III, maka

dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Tahapan-tahapan dalam uji metalografi superalloy yaitu : 

1. Persiapan sampel

2. Pemotongan sampel

3. Mounting Spesimen

4. Curing

5. Gerinding dan Polishing

6. Etsa

7. Menganalisa Spesimen

2. Untuk contoh nikel dan nickel-base and cobalt-base alloys, dengan ketahanan

korosi unggul, yang dietsa menggunakan Waterless Kalling’s, Glyceregia, Acetic

Glyceregia dan Ralph’s. Jika etsa biasanya digunakan untuk sangat tahan suhu

paduan stainless dan tinggi tidak bekerja, HCL + H2O2 dapat digunakan

20

DAFTAR PUSTAKA

www.georgevandervoort.com diakses pada tanggal 22 februari 2012

http://knol.google.com/k/metallography-metalografi diakses pada tanggal 25 februari 2012

http://www.kaskus.us/showthread.php?t=2132740&page=23 diakses pada tanggal 25 februari 2012

http://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy diakses pada tanggal 25 februari 2012

21

TEKNIK METALOGRAFI PADA

SUPERALLOY

Makalah ini dibuat untuk memenuhi tugas mata kuliah Metalografi dan Difraksi

Jurusan Teknik Mesin Universitas Sriwijaya

Oleh :

Andrianto ( 03081005096 )

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

INDRALAYA

2012

22

23