Metode Sputerring Pada Al Dan Fe
6
82 ISSN 0216 - 3128 Yunanto, d!1!. PENINGKATAN KETAHANAN KOROSI LAPISAN TIPIS Al PADA Fe HASIL DEPOSISI MENGGUNAKAN TEKNIK SPUTTERING DALAM MEDIA AIR DAN SUHU TINGGI Yunanto, Lely Susita, Suprapto PuslitbangTeknologiMajuBatanYogyakarta ABSTRAK PENlNGKATAN KETAHANAN KOROSI LAPISAN TIPIS Al PADA Fe HASIL DEPOSISI MENGGUNAKAN TEKNIK SPUTTERING DALAM MEDIA AIR DAN SUHU TINGGI. Telah dilakukan peningkatan ketahanan korosi Fe bentuk as terhadap air don udara suhu tinggi dengan deposisi lapisan tipis At. Deposisi dilakukan dengan teknik sputtering sehingga terbentuk lapisan tipis Al yang melindungi Fe terhadap korosi. Dalam deposisi asas beifungsi sebagai anoda don target Al sebagai katoda. Supaya terjadi proses sputter target dilumbuki dengan ion Ar hasil ionisasi gas Ar dalam tablIng sputtering oleh tegangan tinggi Dc. Akibatnya atom Al ter/epas dan terhambur ke segala arah diantaranya ke substrat asas don dapat melindungi korosi. Dari hasil pengukuran yang dilakukan menggunakan potensiostat pada suhu kamar diperoleh penurunan laju korosi dari 0,156 mpy menjadi 0,035,mpy. Peningkatan berat sampel pada suhu 500 °c tanpa lapisan tipis Al adalah 0,00635 gr don dengan lapisan tipis Al 0,00185 gr. Peningkatan berat disebabkan karena terbentuk oksida besi tanpa lapisan tipis don terbentuk lapisan alumina oksida. Kondisi yang menghasilkan palingbaikyailu teganganelektroda i.OOO volt,waktudeposisi30menildontekanan]0-1torr. ABSTRACT IMPROVEMENT OF CORROCION RESISTANCE Al THiN FILM ON Fe DEPpSITION RESULT WITH SPUTTERiNG TECHNiQUE ON WATER AND HIGH TEMPERATURE MEDiA. Improvement of corrosion resistance of Fe to air and water of high temperature has been carried out using an Al thin film deposition, its deposition by sputtering technique so that form Al thin film to protect corrosion of Fe. In the deposition thefunction of shaft is anoda and Al target as cathode, an ion Ar is produced by ionization Ar gas using DC high voltage. From its sputtering AI atom spultered to all direction toform thinfilm on the surface of shaft. The result of a corrosion measurement by potensiostat, the rate of corrosion decrease from 0,156 mpy to 0,039 mpy at room temperature water. The increasing of weight of 500 °c are 0,00635 gr without Al thin film and 0,00 J85 gr with AI thin film. The increasing of sample weight cuesed by formation of iron oxide and aluminium oxide. The optimal codition to form thin film at anoda cathoda voltage /.000 volt. 30 minutes duration deposition and pressure is J0-1torr PENDAHULUAN B ahan dasar pembuatan untuk dimensi yang besar misalnya turbin gas pada reaktor nuklir, sudu turbin gas pada kapal lalit, PLTU clan pabrik petro kimia atau untuk dimensi yang kecil misal mang pembakaran pada mesin bakar diperlukan bahan yang tahan korosi terhadap air clan suhu tinggi. Untuk mengatasi serangan korosi pada lingkungan air digunakan bahan AI, sedangkan pada suhu tinggi sudah lama dikembangkan bahan paduan super. Bahan dasar daTi paduan ini kebanyakan daTi bahan nikel, tetapi ada juga yang menggunakan bahan dasar besi atau kobalt. Pengembangan bahan yang tahan terhadap korosi pada air serta suhu tinggi sudah lama dikembangkan oleh negara maju.. Pengembangan bahan ini disebabkan karena penggunaan bahan untuk keperluan tersebut di alas memerlukan kekuatan suhu yang lebih tinggi. Bahan ini hams mampu bertahan sampai suhl! 8000 C atau bahkan sampai suhu 1.000° C. Selain hams menanggung suhu tinggi juga tegangan yang tinggi karena putaran yang sangat tinggi- Bahan logam pada udara terbuka hila suhunya mencapai 300 0 C akan timbul oksida dengan laju yang tinggi, oksida ini mudah menjadi gas clan menguap yang pada akhimya akan dapat menghabiskan logam tersebut secara pelan-pelan(')' Selain menggunakan paduan daTi bahan dasar nikel, besi clan kobalt dikembangkan juga pembuatan bahan tahan korosi suhu tinggi yaitu dengan memadukan besi dengan bahan reaktif misalnya ytrium, zirkonium, titanium, cerium. Dalam pembuatan bahan tahan korosi suhu tinggi ini dengan cara mencampur unsur Fe dengan salah satu unsur reaktif dengan prosentase sekitar 1 %. Metode ini mempunyai kekukurangan yaitu memerlukan unsur reaktif dengan jumlah yang, cukup banyak. Sedangkan harga daTi bahan unsur reaktiftersebut mahal harganya. Metode lain adalah dengan memadukan unsur reaktif hanya pada permukaan saja dcngan menembakkan unsur rcaktif dengan medan listrik dalam mang hampa. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
description
hhhhhh
Transcript of Metode Sputerring Pada Al Dan Fe
-
82 ISSN 0216-3128Yunanto, d!1!.
PENINGKATAN KETAHANAN KOROSI LAPISAN TIPIS AlPADA Fe HASIL DEPOSISI MENGGUNAKAN TEKNIKSPUTTERING DALAM MEDIA AIR DAN SUHU TINGGI
Yunanto,Lely Susita,SupraptoPuslitbangTeknologiMajuBatanYogyakarta
ABSTRAK
PENlNGKATANKETAHANANKOROSILAPISANTIPISAl PADAFeHASILDEPOSISIMENGGUNAKANTEKNIKSPUTTERINGDALAMMEDIAAIRDANSUHUTINGGI.TelahdilakukanpeningkatanketahanankorosiFebentukasterhadapairdonudarasuhutinggidengandeposisilapisantipisAt.DeposisidilakukandengantekniksputteringsehinggaterbentuklapisantipisAl yangmelindungiFe terhadapkorosi.DalamdeposisiasasbeifungsisebagaianodadontargetAl sebagaikatoda.SupayaterjadiprosessputtertargetdilumbukidenganionAr hasilionisasigasAr dalamtablIngsputteringolehtegangantinggiDc. AkibatnyaatomAl ter/epasdanterhamburkesegalaarahdiantaranyakesubstratasasdondapatmelindungikorosi.Dari hasilpengukuranyangdilakukanmenggunakanpotensiostatpadasuhukamardiperolehpenurunanlajukorosidari0,156mpymenjadi0,035,mpy.Peningkatanberatsampelpadasuhu500c tanpalapisantipisAl adalah0,00635gr dondenganlapisantipisAl 0,00185gr.Peningkatanberatdisebabkankarenaterbentukoksidabesitanpalapisantipisdonterbentuklapisanaluminaoksida.Kondisiyangmenghasilkanpalingbaikyailuteganganelektrodai.OOOvolt,waktudeposisi30menildontekanan]0-1torr.
ABSTRACT
IMPROVEMENTOF CORROCIONRESISTANCEAl THiNFILM ON Fe DEPpSITION RESULT WITHSPUTTERiNGTECHNiQUEON WATERANDHIGH TEMPERATUREMEDiA. Improvementof corrosionresistanceofFe toair andwaterofhightemperaturehasbeencarriedoutusinganAl thinfilmdeposition,itsdepositionbysputteringtechniquesothatformAl thinfilmtoprotectcorrosionofFe.In thedepositionthefunctionofshaftisanodaandAl targetascathode,anionAr isproducedbyionizationArgasusingDChighvoltage.FromitssputteringAI atomspulteredtoall directiontoformthinfilm onthesurfaceofshaft.Theresultof a corrosionmeasurementbypotensiostat,therateof corrosiondecreasefrom0,156mpyto0,039mpyatroomtemperaturewater.Theincreasingof weightof 500c are0,00635gr withoutAl thinfilm and0,00J85gr withAI thinfilm. Theincreasingofsampleweightcuesedbyformationof ironoxideandaluminiumoxide.Theoptimalcoditiontoformthinfilm at anodacathodavoltage/.000volt.30minutesdurationdepositionandpressureis J 0-1torr
PENDAHULUAN
Bahandasarpembuatanuntukdimensiyangbesar misalnya turbin gas pada reaktornuklir, sudu turbin gas pada kapal lalit,PLTU clanpabrikpetrokimia atauuntukdimensiyang kecil misal mang pembakaranpada mesinbakardiperlukanbahanyangtahankorositerhadapair clan suhu tinggi. Untuk mengatasiserangankorosi pada lingkunganair digunakanbahanAI,sedangkan pada suhu tinggi sudah lamadikembangkanbahanpaduansuper. BahandasardaTipaduanini kebanyakandaTibahannikel,tetapiadajuga yangmenggunakanbahandasarbesiataukobalt.
Pengembanganbahanyang tahanterhadapkorosi pada air serta suhu tinggi sudah lamadikembangkanoleh negaramaju.. Pengembanganbahan ini disebabkankarena penggunaanbahanuntuk keperluan tersebut di alas memerlukankekuatansuhuyang lebih tinggi. Bahanini hamsmampubertahansampaisuhl!8000C ataubahkansampaisuhu 1.000C. Selain hams menanggung
suhu tinggi juga teganganyang tinggi karenaputaranyang sangat tinggi- Bahan logam padaudaraterbukahila suhunyamencapai3000C akantimbul oksidadenganlaju yangtinggi, oksida inimudah menjadi gas clan menguap yang padaakhimyaakandapatmenghabiskanlogamtersebutsecarapelan-pelan(')'
Selain menggunakanpaduan daTi bahandasarnikel, besi clan kobalt dikembangkanjugapembuatanbahan tahankorosi suhu tinggi yaitudengan memadukanbesi dengan bahan reaktifmisalnya ytrium, zirkonium, titanium, cerium.Dalampembuatanbahantahankorosi suhutinggiini dengancaramencampurunsurFe dengansalahsatuunsurreaktif denganprosentasesekitar1 %.Metode ini mempunyai kekukurangan yaitumemerlukanunsur reaktif denganjumlah yang,cukupbanyak.SedangkanhargadaTibahanunsurreaktiftersebutmahalharganya.Metodelain adalahdengan memadukanunsur reaktif hanya padapermukaansajadcnganmenembakkanunsurrcaktifdengan medan listrik dalam mang hampa.
Prosiding Pertemuandan Presentasi IImiahPenelitianDasarIImuPengetahuandan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta,8 Juli 2003
-
Yunanto,dkk ISSN 0216-3128 83
Penembakandapat dilak-ukandengan mesinimplantasiionataudengantekniksputtering(2).
Adametodelainyanglebihsederhanauntukmeningkatkanketah:mankorosipadasuhurendahyang dibuat dari unsur dasar Fe (untukmendapatkankekuatanmekanikyangeukupbesar)tetapitetaptahankorositerbadapcairandenganmemberilapisantipisAI. BahanAl mempakanbahanyangaktifhila berhubungandenganudaramaka akan terbentuklapisantipis pelindungterbadapkorosi.Lapisantipisini akanmemisahkanpermukaanAl denganmediacairan,sehinggadiantaramediacairandenganpermukaanAI tidakadaaliranelektronataupalingtidakmengurangialiran elektron yang pada akhirnya akanmenurunkanlaju korosi. Sedangkanuntuklingkungansuhu tinggi lapisantipis Al jugameneegahtimbulnyakerak oksidayang.dapatmengerogotipermukaanFeseearapelan-pelan(3).
Paduan FeAI dapat digunakanuntukketahanankorosisuhutinggi,karenapaduaninihilabersinggungandenganudarapadasuhutinggiakanmembentuklapisanoksida aluminaoksidapadapermukaannya.Lapisanaluminaoksidatersebutmempunyaikestabilantermodinamiksangatbaik.Selainitu adanyalapisanaluminaoksidadapatmenghambattembusantritium yang dapatmembahayakanlingkunganpadasistemreaktorsuhutinggi.
Jari-jariAllebihbesar12%darijari-jariFe,tetapikareneatomAl dipereepatdenganmedanlistrikdi dalammangvakumlagipulaFemenjadipanaskarenamendapattumbukandari atomAlmakaatomAl akanmampuberdifusike susunanatomFemembentuksenyawaFeAl. Terbentuknyasenyawaini jugadapatdigunakanuntukpelindungkorositerhadapairclankorosisuhutinggi.Paduanini hanya digunakanuntuk keperluanyangsederhanayaitu pembuatanknalpotkendaraanbermotorclanturbingaskeeil.Paduanini dapatdibuatdenganmemadukankeduabahanFeclanAI.Keuntungannyapaduanini dapatdibuatdenganmudahclanbiayarelatiflebihmurah.
Untuk membuatpaduanFeAI ada metodesederhanayaitudenganmemanaskanFe padasuhulelehAl clandieampurdenganserbukAI, makaFeakan terlapisi bahan Al eukup tipis dapatmelindungibahanFe yangmudahdiserangkorosi.Sifatbahanini mempunyaisifatmekanikyangkuattetapi lebih tahankorosi. PenempelanbahanAlpada permukaan Fe tidak begitu kuat, hiladibandingkandenganmetodesputtering(I,6).
Untuk mendeposisikanbahan Al padasubstrat Fe bentuk as menggunakantekniksputteringbentuksilinder yaitu bahantargetAl
ditumbukidenganionAT dalammangvakumdarianodayangberfungsijugasebagaitempatsubstrat.Sebagianatompadatargetakanterpentalkeluarmelaluitransfermomentum.Atomyangterbamburini akanbergerakke segalaarabdengantenagayang eukup besar untuk dapat menyisipkansebagiandariatomAI. Atomterhamburtersebutsebagianbergerakmenujumenujuanoda.(substrat)danmembentuklapisantipisAI merekatdengankuat pada substratFe(4.S).
Pereikan atom target pada substratsebandingdenganteganganelektrodadanwaktudeposisisertaberbandingterbalikdenganjarakelektrodadan tekanangas. Denganmelakukanvariasi parameterteganganelektroda,waktudeposisidan tekanandiharapkanakan didapatlapisantipisAl yangtahanterbadapterbadapairdankorosisuhutinggi.
TAT A KERJA DAN PERCOBAAN
Penyiapancuplikan
Suatu komponenmesin atau konstruksibiasanyaberbentukas,untukitupadapenelitianinidigunakanelektrodabentuksilinder.TargetdibuatdaTibahanAl berbentuksilinderdiameter16emtebal1 mmpanjang20 em.SubstratterbuatdaribahanFe dipotongdengandiameter14mmdantebal1 mm.Peralatansistemsputteringbentuksilinderyang digunakanterdiri dari : tabungsputteringdindingnyadarikaeapyrexdengantargetAl bentuksilinderclansubstratFe, pompavakumrotari, vakummeter,surnbertegangantinggiDCyangdapatdiaturtegangannya,pengaturtekanangasclansumbergasAr.
Pendeposisianlapisantipis
DeposisilapisantipisAl padasubstratFetargetAl diletakkanpadabagiansilinderluaryangberfungsijuga sebagaikatoda. SubstratFediletakkanpada tempat substratyang jugaberbentuksilinderdengandiameterjauhlebihkeeilberfungsijugasebagaianodayangterletakdidalamsilinder luar. Tabung sputteringdivakumkansampai4.10-2torr denganpompavakumrotari,kemudiangas AT dialirkanke dalamtabungsputteringmelaluipengaturtekanangas rnakatekanangasnaikmenjadi7.10-2torr.
Gas AT diionisasikan dengan sumbertegangantinggi DC, ion argondipereepatmenujutargetAI. Atom Al akan terlepasmenujusubstratdengantenagayang eukup besar pula, sehinggasebagianatomAl membentuklapisantipis Al padapermukaan substrat Fe.. Untuk mendapatkanlapisantipis Al yangpalingbaik, makadilakukan
ProsidingPertemuandanPresentasilimiahPenelitianOasarIImuPengetahuandanTeknologiNuklirP3TM-BATANYogyakarta.8 Juli 2003
-
84 ISSN 0216-3128 Yunanto,dkk
variasiteganganelektroda,waktudeposisidantekanangasargon.
Pengukuranlaju korosimenggunakanpotensiostat,
SubstratFe sebelumdaDsesudahdideposisidenganlapisantipis Al diukur laju korosinyamenggunakanpotensiostatgalvanostatmerkTaeusseltipe PGS 201 T. Untukmendapatkankurvayangmenunjukkanlajukorosisuatubahandilakukanbeberapalangkah: mediapengkorosidariairbebasmineralsebanyak200mldimasukkandalam gel korosi, substratdiletakkanpadapemegangsubstratdimasukkandalamgelkorosi,setiapprosestegangandinwlaipadaEawal-1.000mV lawanEkorosisertaberakhirpadaEalchir1.600mV lawanErefdengankecepatanpelarikan20mV/detik.
Pengkuranlaju korosisuhu tinggi
Untuk mengukurlaju korosi suhutinggidapatdilakukandenganTGA. Alat ini prinsipnyasampelyangdiukurdipanasidengansuhutinggitertentudalamkurunwaktuyangpanjang.Sampeltersebutselaindipanasijuga ditimbang.Dengandemikianakandiperolehdatahubunganantarawaktupemanasandenganperubahanberat.DatadaTiTGA ini dimasukkankomputerataurekorderuntukdapatdibuatgraftk.SelainmenggunakanTGA dapatdilakukandenganearasederhanayaitudenganmemanaskanpadasuhuclanwaktutertentukemudianditimbangperubahanberat dengantimbangananalitikyangdapatmegukurperubahandalamaIde10-5g.Padapenelitianyangdilakukanmenggunakancarayangsederhanaini
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebelumpenelitianini pemahdilakukanjugapenelitianpeningkatanketahanankorositetapidenganmetodeplasmanitridasidengansubstratnyaAl dalammedia air bebasmineral..Terjadipenurunanlajukorosisebesar500%. SedangkanyangmenggunakansputteringdengansubstratFeadalahFe dideposisidenganlapisantipis ZndenganmediaairbebasmineralclanFedideposisidenganlapisantipisAlZn tetapidenganmediaairyangmengandunggaram.Penurunanlajukorosinyamasing-masing165% clan400%. Jadipenelitianini menghasilkanbasillebihbaikclanhanyadapatdibandingkandenganpenelitianFeyangdideposisidenganlapisantipisZn
GambarI sampaidengan5 menyajikangrafikhubunganantarateganganelektroda,waktudeposisi,tekanangas argonclansudutsubstrat
terhadaplaju korosidaDlaju korosipadasuhlltinggi.
0.171,,-11
0.15
is: 0.13
.. 0.11
] 0.1~:J OD7S
CI.C5
om0 SIll 7SO 1DI 12SO 8JO
tegangan(Volt)
Gambar1. GraftkhubunganantarateganganelektrodadenganlajukorosiFeAI
Gambar1 menyajikangraftk hubunganantarateganganelektrodadenganlaju korosisubstratFe.SubstratsebelumdideposisidenganAllaju korosinyaadalah0,159 ropy clansetelahdideposisidenganAllaju korosinyaturun.Semakintinggiteganganelektrodaadakeeenderunganlajukorosi menurun eukup banyak, menjadiminimumnyasebesar0,035ropy,hal ini karenasemakintinggiteganganelektrodamakatenagaionargonyangmenumbuktargetAl semakinkuat,sehinggapereikanatomAl yangdihasilkaneukupbanyakyangakhimyamembentuklapisantipisAlyangeukuptebaltebal.Demikianjugalapisantipisaluminiumoksidanyajugasemakinkuat.DengandemikianinteraksiantaracairandenganpermukaanFe semakinkecil (arus korsinyaturun).Padategangan1.250volt tenagaion argonsemakinbesar,sehinggapereikanyang dihasilkanyangmenumbuksubstratjuga semakinbesar.DengandemikiansebagianatomAl sebagianterpentallagiclan tidak membentuklapisantipis Al padapermukaanFe,sehinggalapisanterbentuksemakintipisyangmengakibatkaninteraksipermukaanclaneairansemakinbesarlagi.Hal ini menyebabkanlajukorosinyanaiklagi.
PadaGambar2 disajikangrafikhubunganantarawaktudeposisidenganlaju korosi.Lajukorosieenderungmenurundenganbertambahnyawaktu, hal ini disebabkankarena denganbertambahnyawaktudeposisi,denganparameterteganganelektroda,tekanangas,jarak elektrodayang sarnamaka lapisantipis yang terbentuksemakintebal.Denganbertambahnyateballapisantipis AI, makainteraksieairanyang langsungbersinggungandengansubstratFe yangdideposisilapisantipisAl (adalapisantipispelindungoksida)semakinkecil.Selainituwaktuuntukmeggerogotilapisantipis Al bertambahlebih lama.DengandemikianaIDSkorosinyaturunmenjadi0,043ropy
Prosiding PertemuandaDPresentasilimiah PenelitlanCasal IImuPengetahuandaDTeknologi NuklirP3TM-BATANYogyakarta,8 Juli 2003
-
Yunanto,dkk ISSN 0216-3128 85
walaupunnaiklagisetelahwaktudeposisi60menit.Hal inidisebabkansemakinteballapisantipisyangterbentukmakakerapatanatonmyameningkatdanakantimbulpori-poriyangdapatdenganmudahdialiriarus~lektrondari cairanmenujusubstrat.Hal ini menimbulkanjuga korosisumurankedl-kecildi seluruhpermukaansubstratFe.
0.17 "'-11
~ 0.'6.5. 0.11
"8 0.1t~ 009::J~ 007
005
om0 .cs 7S30 60 so 115
waktu (manit)
Gambar2. Grafik hubunganantarawaktudeposisidenganlajukorosiFe
0."~ 0.14is:
.5. 0.12
1,,- 11
.~ 0.11? ore::J~ 006
004
D.O20 0.05 007D.O6 ore 009 0.\
tekanan (Torr)
Gambar3. GrafikhubunganantaratekanangasargondenganlajukorosiFe
Tekanan gas pada proses sputteringmemegangperananyangrenting,karenagasargonyangsudahterionisasimenentukanbanyaknyaionargonyang menumbukitarget.Sernakintinggitekanangasargonrnakasernakinbanyakionargonyang dihasilkan,sehinggaakan menghasilkanpercikanatomtargetyangsernakinbanyak.Tetapidengannaiknyatekanangasrnakajalanbebasrata-rataionargonmenujutargetakansemakinbesar.Hal ini menyebabkanion Ar akanbertumbukandenganion Ar sendirirnaupunolehpartikellainyangikutterionisasi.
PadaGambar3 dapatdilihatlaju korosilangsungturunsecaranyatapadasaattekanangas5.10-2torryaitu0,07ropy.Setelahtekanantersebutlaju korosinyanaiklagi karenatenagaion argonsemakinlemah, sehinggaakan menghasilkanlapisantipisAI yangsemakintipis.Padatekanan10-1torrlajukorosinyajustruturunlagimencapaiminimumyaitu0,027ropy.Hal ini kemungkinan
padatekananini ionargonyangterionisasicukupbanyakdan tidak saling bertumbukandenganpartikellain,sehinggateBagaionnyacukupbesardenganjumlah yang cukupbesarpula. Hasilpercikannyajuga semakinbanyakyangakhirnyamenghasilkanlapisantipisAl yangcukuptebaldankuatmerekatpadasubstratFe.
0.119-".._1
>: 0JJ6Sc..5. ore
~ 00750.>
