PENGARUHUNSUR KHROM (Cr) TERHADAP PERILAKU ......Tujuan penelitian ini adalah untuk melihat sejauh mana pengaruh penambahan unsur Cr pada paduan TiAl terhadap prilaku pembentukan oksida

The Third Indonesian Process Metallurgy Conference (IPM III) 2012

PENGARUH UNSUR KHROM (Cr) TERHADAPPERILAKU PEMBENTUKAN OKSIDA PADUAN TI-AI-Cr PADA 900°C

Pawawoi1, Eddy Agus Basuki2

1Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Universitas Akhmad Yani (UNJANI), Bandung2Program Studi Teknik Metalurgi, FTTM, ITB, Jl. Ganesha, 10, Bandung

email: [email protected]

ABSTRAK

Paduan TiAl merupakan paduan yang didasarkan kepada senyawa intermetalik yangmemiliki sifat yang ringan dengan kekuatan dan# modulus yang tinggi pada temperaturoperasi mesin turbin gas . Diantara senyawa intermetalik yang terdapat pada paduan TiAl,a2-Ti3AI dan y-TiAl, paduan y-TiAl merupakan senyawa yang paling menarik untukdikembangkan. Namun demikian, paduan y-TiAl memiliki ketahanan oksidasi dan creepyang kurang pada temperatur kerja di diatas 800°C. Untuk meningkatkan ketahananoksidasi pada temperatur tinggi, ada dua skenario yang dapat dilakukan yaitu dengandesain paduan ( alloy design ) dan pelapisan permukaan (surface coating). Melalui desainpaduan, unsur tambahan ke-tiga dan ke-empat dapat meningkatkan ketahanan oksidasipaduan y-TiAl. Salah satu unsur tambahan ketiga yang menarik adalah khrom (Cr) yangdiduga dapat membantu pembentukan oksida protektif Al203 dan membentuk oksidaprotektif Cr203 dan menghambat laju pertumbuhan oksidaTi02. Dari hasil percobaan,penambahan unsur khrom (Cr) sebesar 1% - 2% pada paduan TiAICr secara umummenunjukkan semakin tinggi kandungan Cr maka laju pertumbuhan oksida Ti02 turun danpembentukan oksida Al203 dan Cr203 naik pada daerah oksidasi dan antarmuka paduanTiAI-Cr. Oksida yang terbentuk pada permukaan adalah Ti02, sedangkan oksida Al203dan Cr203 ditemukan pada dibawah lapisan oksida Ti02. Oksida Cr203 yang terbentukdalam jumlah yang relatif kecil berkisar 0 - 4%.Kata kunci: senyawa intermetalik, paduan titanium aluminide, kromium, oksidasi,temperatur tinggi.

I. PENDAHULUANSenyawa intermetalik untuk aplikasi pada temperatur tinggi berbasis TiAl memiliki

kombinasi kekuatan pada temperatur tinggi dan berat jenis yang relatif rendah sehingga

berpotensi untuk menggantiakn superalloy nikel (nickel based superlloy). Dari empat

senyawa intermetalik yang telah dikembangkan yaitu a2-Ti3AI, y-TiAl, TiAI2 dan TiAI3i

paduan y-TiAl merupakan senyawa yang paling menarik untuk dikembangkan lebih lanjutkarena kekuatan dan densitas yang rendah sekitar 3,8 gr.cm'3. Pada temperatur kamar

paduan y-TiAl sangat getas dan rentan terhadap retak panas pada saat prosespengecoran akibat kandungan Al yang tinggi. Salah satu cara solusinya adalah dengancara mengurangi kandungan Al dalam paduan, yaitu do.'.gan pembentukan paduan

intermetalik dua fasa a2-Ti3AI/y-TiAI. Paduan ini diperkirakan mempunyai ketahanan muluryang mendekati y-TiAl tetapi sifat kegetasannya lebih rendah.

proceeding IPM III 2012 Halaman - 174


Namurt demikian, paduan TiAl memiliki ketahanan oksidasi yang rendah danpenggunaannya hanya terbatas pada temperatur di bawah 800°C lebih rendah dari yangdiberikan oleh sifat mekaniknya(3,4). Dua cara yang dapat digunakan untuk meningkatkansifat oksidasi pada temperatur diatas 800°C yaitu dengan penambahan unsur ketiga danpelapisan permukaan ( surface coating)<3). Dari beberapa penelitian melaporkan bahwa Al-39Ti-3Cr dan AI-47Ti-5Cr sebagai coating menunjukkan peningkatan ketahanan oksidasiyang signifikan(3).

Salah satu bagian yang sangat menentukan ketahanan oksidasi paduan TiAl adalahpembentukan oksida Al203 pada permukaan dan memperlambat pertumbuhan oksidaTi02 . Unsur tambahan ketiga diprediksi dapat meningkatkan sifat khusus dari paduanTiAl. Penambahan unsur Cr misalnya dianggap disamping sebagai unsur yangmembentuk oksida protektif Cr203 yang tahan pada temperatur tinggi juga mempunyaisifat yang dapat mendorong terbentuknya oksida protektif Al203 yang memiliki laju oksidayang lambat sebagaimana yang terjadi pada superalloy berbasis nikel. Penambahanunsur Cr memberikan pengaruh terhadap prilaku pembentukan oksida tersebutkhususnya oksida protektif Al203 yang diharapkan nanti sebagai salah satu aspek dalammenentukan ketahanan oksidasi dari paduan TiAl.

Tujuan penelitian ini adalah untuk melihat sejauh mana pengaruh penambahanunsur Cr pada paduan TiAl terhadap prilaku pembentukan oksida pada oksidasiisothermal pada temperatur 900°C, khususnya oksida protektif Al203 dan Cr203.Ketahanan terhadap oksidasi paduan dasar TiAl dengan penambahan 1%, 1,5% dan 2%unsur Cr pada temperatur 900°C dipelajari dalam lingkungan yang dialiri oleh gasoksigen dengan laju alir 0,5 ml/det.

II. PERCOBAAN

Pembuatan substrat paduan TiAl dilakukan dengan komposisi 50% Ti , 48% Aldengan penambahan unsur Cr sebesar 1%, 1,5% dan 2% menggunakan tanur busurlistrik yang dialiri gas argon. Bahan baku pembuatan paduan ini adalah logam murnidengan kemurnian diatas 99,8%. Ke tiga buah paduan yang dihasilkan dihomogenisasidengan cara pemanasan masing-masing pada temperatur 1100°C selama 24 jam didalam tanur tabung pada lingkungan gas argon. Paduan yang dihomogenisasi kemudiandipotong menjadi beberapa sample dan dilakukan pencucian terlebih dahulu di dalamultrasonic cleaner menggunakan alkohol.

Proceeding IPM III 2012 Halaman - 175


Pengujian ketahanan oksidasi substrat dengan oksidasi isothermal pada temperatur900°C dengan waktu 2, 10 dan 25 jam dilakukan di dalam sebuah tanur tabung horizontalpada lingkungan oksigen dengan laju alir 0,50 ml/detik. Masing-masing sampel ditimbanguntuk mendapatkan perbedaan berat sebelum diuji oksidasi dan setelah diuji oksidasi.Sampel tersebut kemudian dianalisis menbggunakan x-ray diffraction (XRD) untukmenentukan jenis oksida, pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik danmikroskop elektron (scanning electron microscope. SEM) dan analisis komposisi kimiamenggunakan energy dispersive x-ray microanalysis (EDAX).

III. HASIL PERCOBAAN

Gambar 1 menunjukkan contoh struktur mikro paduan TiAI-2Cr yang telahdihomogenisasi pada temperatur 1100°C selama 24 jam. Terihat bahwa paduan ini

mengandung dua fasa yaitu y-TiAl dan a2-Ti3AI.

wmmmmmmom#.i\V

V

T-mi.tMC&r-T^Al•-si I&s

£j

> tK

ri

ft4

V.

V.I -s'1.f, r<

r5

* «

#

Gambar 1. Contoh struktur mikro paduan TiAI-2Cr yang telah dihomogenisasi padatemperatur 1100°C selama 24 jam

Pengujian oksidasi dilakukan pada sampel dengan kandungan Cr yang berbeda padatemperatur 900°C dengan waktu 2, 10 dan 25 jam didalam sebuah tungku yang dialiri gas

02. Dari hasil penimbangan berat sampel sebelum dan sesudah oksidasi diperoleh nilaiperubahan berat. Data waktu penambahan berat persatuan luas terhadap waktu oksidasiditunjukkan pada Gambar 2. Komposisi dan bentuk oksida hasil EDAX pada permukaanpaduan TiAICr yang telah mengalami oksidasi isothermal selama 25 jam disajikanmasing-masing pada Gambar 3 dan Gambar 4.



I

i

Pertambahan berat (mg/cmz)

i

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0

*/

2 10 25

Waktu oksidasi Gam)

TiAMCr•— TiAI-1.5Cr

TiAI-2Cr

Gambar 2. Kurva oksidasi isothermal paduan TiAICr pada 900°C

1

m

m- m*r. \

iK£I S*‘

%

5

¥1

*

l?j t lUAH A i «

»V

t »*MTC0

(MM mKiV4.J to

(«qr^» 1 4K OV till

r. » 51 * 0u< » ^'1 611

1W 03DM

UK ior 0 v*U ;c t f«H O; T»O; wr t! «10 14100 w

Cr?CO« W <*

oei' J 0< *

Gambar 3. Komposisi oksida hasil EDAX pqda permukaan paduan TiAICr yang telahmengalami oksidasi isothermal selama 25 jam

I1



r

t

‘ -

• •

5 _ _

9

iI

ft

t

i

>- * \1 . At

» i

•4

l<*m**if

A. tr, *.

>_ »Trt #»

0*V; fn»;iV (ngrt4§ « 0

I 4t* 0 V 011

* 4C* »0 0M} 41l C 1« Oiei

!«0 <K

M mm M mm "M

«v•mt *•

CtSkcn *OHHO;014«00 00

T*O;CrOOl

1 Ofw•/6:t1 CO OC.

o;uII 83OM

' 20*

: tu*w so;%t irtl

*i NHF * rs > V

I 4' VIr *-* I f sAv *

7

US «1. r I

/ f.ktw/mm ?X..' ;*TiO zK «1r. •».' KMr* %m %

*Vf 5S i sr» *5 §y :. iae-s El** -

V 55©Jig* .s •=. F5.i t- r.-'s'-H "SCMi r *i *u *»2 . f

r- I3i .il«- *-L' -K

Gambar 4. Bentuk oksida Ti02 pada permukaan paduan TiAI-Cr pada temperaturoksidasi 900°C selama 25 jam


i


Struktur mikro penampang melintang hasil EDAX oksidasi paduan TiAMCr padatemperatur 900°C selama 25 jam disajikan pada Gambar 5.

t

/ V*

mi .•

V;---i';. TiOw.V

£

MvIS ml > n. IiI1 V

m*— C

v.5

%>

s NJ *

Gambar 5. Struktur mikro penampang melintang hasil EDAX oksidasi paduan TiAI-Crpada temperatur 900°C selama 25 jam

dan base metal serta base metal ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1Komposisi oksida hasil EDAX pada permukaan paduan TiAICr yang telah mengalami

oksidasi isothermal 900°C selama 25 jam

Komposisi DaerahTi02(%)

Al203(%)

0^03(%)

Oksida 41,23 54,71 0,98

TiAMCr Antarmuka 73,92 26,08 0

Substrat 64,51 44,38 1,11

Oksida 39,60 38,61 0,60

TiAI-1,5Cr Antarmuka 65,74 32,70 0,97

Substrat 60,66 36,99 2,35

Oksida 32,45 59,09 3,32

TiAI-2Cr Antarmuka 45,61 45,62 3,81

Substrat 63,84 33,95 2,21



IV. PEMBAHASAN

Pembahasan yang disajikan akan ditekankan pada pengaruh penambahan unsur Crterhadap perilaku pembentukan oksida khususnya Ti02, Al203 dan Cr203. Fasa-fasadominan yang terbentuk pada paduan TiAl dengan fasa utama y-TiAl dan a2-Ti3AI adalahTi02, Al203 dan Cr203. Dengan penambahan kandungan Cr yang bervariasi dari 1% s.d2% tidak merubah fasa-fasa yang ada pada paduan dasar TiAl. Dalam penelitian ini fasayang ada adalah y-TiAl dan a2-Ti3AI. Dalam hal ini Cr dipercaya larut dalam kedua fasatersebut. Yang menentukan ketahanan oksidasi pada paduan y-TiAl adalah keberadaanAl203 dan Cr203. Adanya kesamaan nilai energi bebas pembentukan TiO/Ti02 dan Al203menjadikan sebagai aspek penting dalam menentukan sifat oksidasi dari paduan y-TiAl.Energi bebas standar pembentukan Al203 dan TiO dapat ditentukan dari tekanan parsial

oksigen pada kesetimbangan v °2 ' yang digambarkan sebagai kurva garis lurus sebagai(/>*“ )fungsi temperatur untuk beberapa logam. Mengingat v 'untuk pembentukan Al203 dan

TiO pada 900°C hampir sama, sehingga oksida yang akan terbentuk dalam paduan Ti-AIlebih ditentukan oleh aktivitas masing-masing unsur dalam paduan.

Ada beberapa hal yang memungkinkan untuk perubahan oksida Ti02 menjadi Al203 atauyang menyebabkan pertumbuhan Al203 lebih dominan dibanding Ti02, yaitu:

1. Kandungan Al dalam paduan y-TiAl harus mendekati 50% (berdasarkanperhitungan Luthra)

2. Pembentukan daerah oksida internal ( internal oxide zone)3. Penambahan unsur paduan terner atau quaterner yang mempercepat

pembentukan dan pertumbuhan oksida Al203.

4. Terjadinya kekosongan oksigen (oxygen vacancy) pada antarmuka dua lapisanoksida.

Dari data hasil penelitian tersebut pembentukan oksida dimulai dengan pengintian oksidaTi02 pada permukaan dan segera tumbuh kearah vertikal dan horisontal. Adanyapertumbuhan oksida Ti02 ke permukaan menyebabkan pada substrat kekurangan unsurTi sehingga logam Al dan Cr mulai menginti dan tumbuh secara perlahan membentukoksida Al203 dan Cr203. Karena secara kinetik pertumbuhan oksida Ti02 lebih cepatdibanding dengan Al203 dan Cr203 maka dengan cepat permukaan akan ditutupi olehoksida Ti02 sehingga Al203 dan Cr203 terbentuk di bawah permukaan oksida Ti02. Secaraskematik proses tersebut dapat terlihat pada Gambar 5.



Dari hasil SEM EDAX permukaan oksida yang terbentuk adalah campuran Ti02 danAl203, dengan oksida Ti02 menutupi permukaan substrat. Komposisi Ti02 yang dominanmenunjukkan bahwa kecepatan pertumbuhan oksida Ti02 lebih cepat dibandingpertumbuhan oksida Al203 dan afinitas logam Ti terhadap oksigen lebih besar dibandinglogam Al.

i Zona ; ;Qkada si fjfje~ internal :

FhduanTi-AI-Cr

-

'-•i-vf Afeo3 A-^ CI2O3

i Ti

/

Odiss

Odiss

Tl

1i02

O(gi2

1

fflL-M-©?

(l)

J

JAl

JCr*>?

IHL-HJL-SB

( 2 )

TiO,Al

TiOJCrTiO2

(9)Jo2

Gambar 5. Mekanisme reaksi dan pembentukan oksida pada paduan TiAI-Cr(4)

IHL-ll-Cl?

(i)

TiJAl

kTiOCrTiO

2

\Jbti

( 2)

ITiO

JJ Jv

Gambar 6. Ilustrasi mekanisme kirkendall untuk pembentukan rongga(4)



Seiring dengan waktu dan naiknya temperatur, porositas (voids) mulai terbentuk padaantarmuka substrat dan kerak oksida yang merupakan mekanisme Kirkendall effect akibatdifusi logam Ti yang cepat ke permukaan (Gambar 6). Karena ion Ti dan ion oksigendalam oksida Ti02 dapat berdifusi melalui oksida Ti02 tersebut maka oksidasi jugabergerak ke arah substrat. Adanya porositas menyebabkan kerak oksida lepas daripermukaan.

Brady et al.{6 ) mengatakan bahwa penambahan sebagian kecil unsur paduan terner pada

paduan y-TiAl tidak menghasilkan pembentukan lapisan kerak AI2C>3 yang kontinu tetapihanya memperlambat pertumbuhan oksida campuran Ti02/AI203. Seperti yang telahdisebutkan sebelumnya, oksigen akan berdifusi kedalam oksida melalui voids yang terjadidan juga dalam oksida Ti02, ion Ti dan ion oksigen dapat berdifusi ke dalam sehingga jikadalam paduan terdapat unsur Cr maka oksida Ti02 dapat direduksi sehingga terbentukCr203. Hal ini mengakibatkan pembentukan oksida Ti02 akan turun dibandingkan jikatidak ada unsur Cr.

V. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil percobaan dan pembahasan yang telah dikemukakan makadapat diambil beberapa kesimpulan dan saran sebagai berikut:

1. Penambahan unsur Cr sebesar 1% - 2% pada paduan TiAI-Cr menurgukkan ada

dua fasa yaitu fasa y-TiAl dan a2-Ti3AI.

2. Penambahan unsur Cr mempengaruhi prilaku pembentukan oksida Ti02l Al203dan Cr203. Semakin besar kadar Cr dalam paduan maka semakin rendahpembentukan oksida Ti02 dan semakin tinggi pembentukan oksida Al203 danCr203.

3. Penambahan Cr hingga 2% ke dalam paduan TiAl pada oksidasi isotermal 900°Cbelum memberikan lapisan oksida dominan Al203 seperti yang diharapkan.

Melibatkan unsur lain yang dapat mengontrol mobilitas oksigen yang berdifusi kedalam melalui kekosongan pada oksida Ti02 diharapkan menurunkan kecepatanoksidasi atau pembentukan oksida Ti02 dengan cara penambahan unsur dopantyang dapat menurunkan konsentrasi oksigen.



DAFTAR PUSTAKA1. Knippscheer, S.,Frommeyer, G.,“ lntermetallic TiAI(Cr,Mo,Si) Alloys for Lightweight

Engine Parts", Structure, Properties, and Applications, A.E. Materilas, 187-191, 1999.

2. Lee, J. K., Oh, M. H., Wee, D. M., "Long-term Oxidation Properties of AI-TI-Cr Two-

phase Alloys as Coating Materials for TiAl Alloys”, Intermetallics, 10, 347-352, 20023. Leyens, C., Peters, M., Kaysser.W. A., “Oxidation-Resistant Coating for Application on

High-Temperature Titanium Alloys in Aeroengines”, A.E. Materials,5 , 265-269, 20004. Qin, G. W., Smith G. D. W, Inkson, B. J.,Dunin-Borkowski, R., “Distribution Behaviour

of Alloying Elements in a2(a)/y Lamellae of TiAI-based Alloy, Intermetllics, 8, 945-951,2000

5. Brady, M.P. dkk, “The Oxidation and Protection of Gamma Titanium Aluminides",

Journal of Metals, 19966. Kim. J. H., Ha, T. K., Chang, Y. W., Lee, C. S., “High Temperature Deformation

Behaviour of a Gamma TiAl Alloys- microstructural evolution and mechanism”,Metalurgical and Materials., 34A, 2165-2176, 2003

7. Yang, M.R., and Wu, S.K., “Oxidation resistance improvement of TiAl IntermetallicsUsing Surface Modification, “ Bulletin of the College of Engineering, NTU, 2003.

8. Yamaguchi, N., Kaheyama, T., Yoshioka, T., amd Ohashi, O., “Effect of the ThirdElements on High Temperature Oxidation Resistance of TiAI3 IntermetallicCompounds”, Materials Transactions, Vol. 43, No. 12, 2002.

9. Wang, F., Tang, Z., and Wu, W., “Effect of Chromium on Oxidation Resistance of TiAlIntermetallics”, Oxidation of Metals, Vol. 48, No. 516, 1997.

10. Braun, R., Rovere, F., Mayrhofer, P.H., and Leyens, C., “Environmental Protection ofGamma TiAl Based Alloy Ti-45AI-8Nb by CrAlYN Thin Film and Thermal BarterCoatings”, Intermetallics, 18, 2010.


ISBN: 978-979-18370-7-1

2

THE THIRD INDONESIAN PROCES METALLURGY(IPM III) CONFERENCE 2012

AULA TIMUR ITB, 4-5 DESEMBER 2012

PROCEEDING

Editor

M. Zaki MubarokFikri IrsyadMonita Sari

Awidia Eswandari JuwitaM. Rizki

%

DIDUKUNG OLEH:

PTFREEPORT INDONESIAAffiliate of Freeport-McMoRan Copper & Gold amam^

h'M'o,

PT NewmontNusa Tenggara 4>TIMAH Outotec c,

Documents

PENGARUHUNSUR KHROM (Cr) TERHADAP PERILAKU ......Tujuan penelitian ini adalah untuk melihat sejauh mana pengaruh penambahan unsur Cr pada paduan TiAl terhadap prilaku pembentukan oksida