ISBN 979-8611-37-3

21

PENGARUH PENAMBAHAN Mo TERHADAP STABILITAS

FASA-FASA SENYAWA ANTAR LOGAM Ti-Al

Meilinda Nurbanasari, Djoko Hadi Prajitno*, dan Rainaldo Ersaputra

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri ITENAS

Jl. PHH. Mustapa no.23, Bandung

Email : meilinda@itenas.ac.id

* Penelitian Tenaga Nuklir BATAN

Jl. Tamansari – Bandung

Abstrak

Titanium adalah logam yang memiliki banyak keunggulan yaitu berat jenisnya yang rendah (4,5

gr/cm3), kekuatan yang tinggi pada temperatur tinggi, modulus elastisitas yang tinggi dan ketahanan korosi

yang baik. Sifat-sifat di atas merupakan keunggulan yang jarang dimiliki oleh material lain secara bersamaan.

Aplikasi titanium pada temperatur tinggi banyak digunakan pada sudu turbin gas dan pesawat ulang alik ruang

angkasa. Meskipun demikian, logam ini juga memiliki kekurangan yaitu rendahnya keuletan dan ketangguhan

pada temperatur kamar, sehingga dapat mengakibatkan kegagalan baik dalam proses produksi maupun

aplikasinya. Salah satu cara untuk memperbaiki kegagalan logam tersebut adalah menambahkan unsur

pemadu yang akan menginduksikan fasa kedua dengan sifat yang lebih ulet ke dalam struktur mikro, seperti

niobium, molybdenum, vanadium, wolfram dan zirconium.

Dalam penelitian ini Molibdenum (Mo) dipilih sebagai unsur pemadu. Diharapkan Mo sebagai logam

transisi dapat meningkatkan pengerasan larutan padat terhadap paduan Ti-Al. Pemaduan Mo dilakukan

dengan menggunakan 5 variasi komposisi dari Ti, Al dan Mo dalam % berat. Proses pemaduan tersebut

dilakukan melalui proses pengecoran. Setelah logam paduan diperoleh, dilakukan proses perlakuan panas

dengan berbagai temperature pemanasan (1000oC, 1100oC, 1200oC) dan lama pemanasan (1 jam dan 4 jam).

Pengujian dan pengamatan dilakukan melalui pengujian keras dan SEM-EDAX.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa struktur mikro paduan umumnya berbentuk jarum dengan harga

kekerasan berkisar 600 sampai 740 VHN. Perlakuan panas yang diberikan dengan waktu 1 dan 4 jam pada

variasi temperatur pemanasan dirasakan belum cukup untuk menyeragamkan komposisi paduan. Selain itu

adanya retak yang terlihat pada hasil analisa struktur mikro menunjukkan bahwa komposisi paduan pada

penelitian ternyata bersifat getas dan belum bisa memperbaiki keuletan dari paduan TiAl.

Kata kunci: Titanium, Paduan, Perlakuan Panas, Keuletan

Pendahuluan

Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan paduan titanium

pada temperatur tinggi serta keuletan pada temperature kamar. Untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan

pada temperatur tinggi dapat dilakukan dengan menambahkan unur-unsur logam transisi yang dapat

menyebabkan pengerasan larutan padat seperti tembaga, krom, tantalum dan molibdenum (Valencia dkk, 1987).

Keuletan pada temperatur kamar dapat diperbaiki dengan menambahkan unsur pemadu yang akan

menginduksikan fasa kedua dengan sifat yang lebih ulet kedalam struktur mikro. Unsur tersebut dapat berupa

fasa seperti niobium, molibdenum, vanadium, wolfram dan zirconium. Adapun dipilihnya Mo sebagai unsur

pemadu disebabkan logam Mo diharapkan dapat meningkatkan pengerasan larutan padat terhadap paduan TiAl.

Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari sifat-sifat paduan TiAl dan pengaruh paduan apabila ditambahkan

logam Mo dengan komposisi 2 dan 4 % berat terhadap struktur mikro dan keberadaan fasa dalam paduan TiAl

hasil peleburan serta pengaruh perlakuan panas.

DASAR TEORI

Senyawa intermetalik dapat didefinisikan sebagai fasa paduan yang tersusun dari dua unsur logam atau

lebih dan memiliki rasio yang stoikiometris seperti A3B, A2B, AD dan AB2 untuk sistem biner. Pembentukan

senyawa tersebut dapat dilihat pada diagram fasa.

Diagram kesetimbangan fasa biner Ti-Al (Dogan, dkk,1991) menunjukkan bahwa fasa -TiAl stabil dalam

selang komposisi yang cukup sempit pada temperatur kamar dan membentuk kesetimbangan dua fasa yaitu 2-

Ti3Al2. Dalam sistem ini komposisi kesetimbangan dan temperature transisi sangat dipengaruhi oleh keberadaan

pengotor, terutama oksigen.

ISBN 979-8611-37-3

22

Gambar 1: Diagram Fasa Kesetimbangan Ti-Al (Dogan, dkk, 1991).

Pada diagram fasa tersebut antara temperatur antara 1200-1400oC, daerah fasa TiAl terlihat cukup lebar,

namun dengan seiring turunnya temperatur, daerah untuk mendapatkan fasa TiAl semakin mengecil. Paduan

TiAl dengan komposisi 55-65 % atom Al pada temperatur 1400 –1300oC cenderung membentuk fasa -TiAl +

TiAl2 pada temperatur kamar.

Pembekuan Coran

Pembekuan coran dimulai dari bagian yang bersentuhan dengan cetakan, dimana kemudian inti-inti

kristal tumbuh, ukuran dari butir pada daerah ini relatif lebih kecil dan disebut dengan Chill Zone. Bagian dalam

dari coran mendingin lebih lambat daripada bagian luar, sehingga kristal–kristal tumbuh dari inti asal mengarah

kebagian dalam coran dan butir-butir kristal tersebut memanjang seperti kolom yang disebut Columnar Zone.

Struktur ini muncul dengan jelas apabila gradient temperatur yang besar terjadi pada permukaan coran besar.

Bagian tengah coran (Central Zone) mempunyai gradien temperatur yang kecil sehingga ukuran butirnya relatif

lebih besar dibandingkan Chill Zone dan daerah ini merupakan susunan dari butir-butir kristal segi banyak

dengan orientasi yang sembarang. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar berikut.

Gambar 2. Struktur mikro daerah coran (Reed-Hill, dkk, 1992).

Penguatan Larutan Padat

Memasukan atom larut sebagai larutan padat dalam kisi atom pelarut, selalu menghasilkan paduan yang

lebih kuat daripada logam murni. Ada dua jenis larutan padat. Jika atom terlarut dan atom pelarut kira-kira sama

besarnya, atom larut akan menempati tempat kisi (lattice points) dalam kisi kristal atom pelarut. Ini disebut

larutan padat substitusi. Kalau atom larut jauh lebih kecil daripada atom pelarut, atom larut menduduki posisi

sisipan dalam kisi pelarut. Karbon, Nitrogen, Oksigen dan Boron merupakan elemen yang biasanya membentuk

larutan padat-sisipan atau interstisi ( Interstitial solid solution ). Faktor yang mengendalikan kecenderungan

membentuk larutan padat substitusi dipecahkan terutama melalui karya Hume-Rothery.

PROSEDUR PERCOBAAN

Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah Titanium seri CPI (Commercial Pure I), Aluminium

dengan kemurnian>99,9% dan unsur paduan terner yang digunakan yaitu Molibdenum dengan kemurnian bahan

sebesar 99,9%. Pada tabel 1 diperlihatkan komposisi material dasar penyusun paduan :

Tabel 1 Komposisi material dasar

Bahan dasar Bentuk Awal Kemurnian % Pengotor (% berat)

Titanium (Ti)

Lembaran

99,7

H = 0,015 C = 0,08

N = 0,05 Si = 0,04

Fe= 0,12

Aluminium (Al) Ingot Cakram 99,9 Si = 0,05 Fe = 0,07

Cu= 0,01 Ti = 0,01

Mn = 0,01

Molibdenum (Mo) Silinder pejal 99,9

ISBN 979-8611-37-3

23

Secara garis besar untuk langkah kerja dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar diagram di bawah.

Gambar 3. Langkah Kerja penelitian.

Penimbangan Material

Proses penimbangan dilakukan dengan mengikuti % berat material sebagai berikut:

Tabel 2 kadar komposisi berat material (gr)

Titanium (Ti) Aluminium (Al) Molibdenum (Mo)

Paduan 1 5,4000 4,6000 0

Paduan 2 5,2000 4,8000 0

Paduan 3 5,0000 5,0000 0

Paduan 4 5,0000 4,8000 0,2000

Paduan 5 5,0000 4,6000 0,4000

Peleburan dan Perlakuan Panas

Proses peleburan material, menggunakan TIG (Tungsten Inert Gas). Sebelum peleburan dimulai,

material yang akan dilebur disusun berdasarkan titik lebur material. Proses perlakuan panas dilakukan untuk

kelima jenis paduan, dengan masing-masing dalam kondisi as cast, pemanasan 1000 oC dan waktu tunggu 1 jam

dan 4 jam, pemanasan 1100 oC dengan waktu tunggu 4 jam, 1200oC denagn waktu tunggu 1 dan 4 jam. Untuk

material yang mengalami perlakuan panas, pendinginan dilakukan secara celup cepat menggunakan media air

bertemperatur kamar. Masing-masing kondisi menggunakan 3 sample.

Pengujian

Uji keras menggunakan metode microvickers dengan beban 50 gram, sedangkan untuk analisa struktur mikro

menggunakan mikroskop optik dan SEM-EDAX.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perubahan Berat

Hasil penimbangan paduan logam sebelum dan sesudah peleburan idealnya mempunyai berat yang

sama, namun dalam penelitian ini terjadi perubahan berat sebesar 0,1 gr atau sekitar 1 % berat total paduan.

Adanya penambahan berat ini disebabkan ikut meleburnya elektroda tungsten kedalam logam paduan, hal ini

dapat dibuktikan setelah beberapa kali peleburan elektroda tungsten mengalami pengurangan panjang selain itu

tidak tertutup kemungkinan terjadinya oksidasi terhadap logam titanium.

ISBN 979-8611-37-3

24

Kekerasan

Dari hasil uji keras mikro pada semua paduan as cast didapat harga kekerasan hanya terpaut sekitar 15 HV, ini

menunjukkan bahwa perubahan komposisi yang dilakukan pada paduan hanya berakibat kecil terhadap

kekerasan. Selain itu penambahan unsur Mo juga belum berpengaruh terhadap harga kekerasan.

Namun untuk paduan 1 s.d 5 yang mengalami perlakuan panas terlihat fluktuasi kekerasan pada tiap

perlakuan panas. Ini menyulitkan dalam menganalisis kekerasan material. Namun dari hasil pengujian kekerasan

mikro didapat harga kekerasan dari struktur mikro yang berbentuk jarum lebih tinggi dibandingkan matriksnya,

jadi dapat diperkirakan bahwa harga kekerasan yang berfluktuasi itu dapat disebabkan karena indentor jatuh

pada daerah matriks sehingga ada material yang memiliki kekerasan yang tinggi da nada juga yang memiliki

kekerasan yang rendah.

Gambar 4: Kekerasan pada berbagai kondisi paduan.

Analisa Struktur Mikro

Hasil pengujian SEM-EDAX dilakukan pada paduan 1 yaitu hasil peleburan (as cast), paduan 3

(1200oC, 4 jam) dan paduan 5 (as cast). Pengujian dilakukan pada 3 material tersebut karena mewakili

perbedaan-perbedaan yang ada pada foto-foto struktur mikro.

Pada gambar 5 diperlihatkan struktur mikro paduan 1 as cast hasil foto SEM. Struktur mikro paduan 1

hasil foto dengan SEM memperlihatkan bentuk struktur mikro needle like dengan panjang sekitar 10 m.

Gambar 5. Foto SEM paduan 1 as cast Gambar 6: Foto SEM paduan 5 as cast

Tabel 4: Analisa EDAX paduan1 as cast Tabel 5: Analisa EDAX paduan 5 as cast

Paduan 1 as cast pada dasarnya terdiri dari 54 % Ti dan 46 % Al dalam persen berat, tapi setelah

dilebur terbentuk 2 bagian yaitu matrisk dan struktur mikro berbentuk jarusm. Dari analisa SEM-EDAX didapat

komposisi Ti pada bagain matriks sebesar 49,85% dan bagian struktur mikro sebesar 68,62 % berat. Disini

terlihat bahwa bagian struktur mikro memiliki kandungan Ti yang lebih tinggi dan memiliki fasa 2-Ti3Al & -

TiAl, sedangkan matrik memiliki fasa -TiAl dan TiAl2 dengan komposisi Ti sebesar 52,48 % berat.

Dari analisa SEM-EDAX paduan 5 dengan komposisi material dasar Ti=50, Al=46 dan Mo=4% berat, didapat

komposisi Ti hasil leburan pada bagian matriks sebesar 45,94 % berat. Sedangkan bagian struktur mikro didapat

komposisi Ti sebesar 61,84 % berat. Dari dua bagian itu, komposisi Ti pada struktur mikro lebih tinggi dari

material dasarnya dan dipastikan bahwa Ti berkumpul pada bagain ini, sehingga pada bagian matriks komposisi

ISBN 979-8611-37-3

25

Ti-nya berkurang. Hasil foto SEM paduan 5 as cast (gambar 6) terlihat bahwa struktur mikro bentuk jarum lebih

ramping bila dibandingkan dengan paduan 1.

Hasil foto SEM paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC selama 4 jam pada temperature 1200oC

(gambar 7_ terlihat adanya porositas dan struktur mikro needle like. Adanya strktur mikro yang berbentuk jarum

disebabkan karena pada aat peleburan paduan, Ti terlebih dahulu membeku, sedangkan Al masih mencair,

sehingga Ti tersegregasi dan mengikat material Ti lebih banyak.

Gambar 7: Foto SEM paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC, 4 jam.

Tabel 7: Analisa EDAX paduan 3 yang mengalami pemanasan 1200oC, 4 jam.

Pada gambar di atas terlihat bahwa fasa memiliki komposisi berat Ti sebesar 57,41 % lebih besar

daripada matriks yang memiliki komposisi sebesar 42,74 % berat. Dari data ini dapat dipastikan bahwa bagian

fasa memiliki kandungan Ti yang tinggi dan berdasarkan diagram fasa, bagian fasa ini memiliki fasa -TiAl.

Sedangkan matrixnya atau bagian yang palin dominan memiliki fasa + TiAl2, tapi apabila dilihat secara full

frame maka semuanya akan diwakili oleh fasa + TiAl2.

Pemanasan didalam tungku bertujuan untuk memberikan penyeragaman komposisi agar antara struktur

mikro berbentuk jarum dan matriksnya terjadi penyeragaman komposisi,sehingga pada suatu saat struktur mikro

akan hilang sama sekali dan yang terlihat hanyalah matriksnya saja. Namun dalam penelitian ini yang terjadi

adalah struktur mikro yang terlihat masih banyak dan berukuran kecil, sehingga dapat dipastikan bahwa

perlakuan panas yang dilakukan kurang memadai untuk menyeragamkan komposisi antara struktur mikro

dengan matriknya.

Retak yang terlihat pada pengamatan disebabkan karena paduan yang dilebur tidak memiliki titik leleh

yang sama, sehingga mengakibatkan pendinginan yang berbeda – beda pada tiap-tiap tempat dan mengakibatkan

penyusutan pada setiap tempat berbeda-beda.

Selain retak, adanya porositas juga teramati. Porositas yang terjadi dapat disebabkan karena arus yang

diberikan pada saat peleburan terlalu tinggi sehingga menyebabkan terjadinya semburan arus buusur listrik yang

kuat didalam logam paduan saat mencair.

Dengan membandingkan hasil pengujian SEM-EDAX dan data komposisi yang direncanakan pertama,

maka terdapat perbedaan yang sedikti menyimpang dari komposisi yang ditetapkan.

Tabel 8: Perbandingan komposisi hasil SEM-EDAX dengan komposisi Nominal

Dari perbandingan data di atas, terlihat bahwa komposisi titanium paduan 1 menurun sebesar 1,52 %

berat, material 3 turun sebesar 1,02 % berat, begitu juga pada molybdenum mengalami penurunan sebesar 0,86

ISBN 979-8611-37-3

26

% berat akibatnya komposisi dari aluminium semakin meningkat setelah mengalami peleburan, hal ini dapat

disebabkan beberapa alas an yaitu:

1. Kemungkinan material yang dilebur dam bagian yang kaya titanium tersebut berada pada bagian yang lain.

2. Ada Titanium yang tidak terlebur dan bagian yang kaya titanium tersebut berada pada bagian yang lain

3. Adanya Titanium yang teroksidasi dan menempel pada dinding kaca disebabkan karena penyusunan

material pada saat peleburan berawal dari titanium sebagai tempat terats lalu diikuti dengan molibdenum

dan kemudian terakhir aluminium

Efek Perlakuan Panas terhadap Logam Paduan TiAl

Pada pemanasan 1000oC paduan 3, 4 dan 5 dengan waktu tunggu 1 dan 4 jam terlihat mengecil dan

menghilangnya sebagian struktur mikro yang berbentuk jarum,namun ada keanehan pada paduan 1yaitu struktur

mikro yang terjadi semakin rapat dan memiliki ukuran yang sangat kecil, ini menunjukkan bahwa peristiwa

segregasi terjadi pada paduan ini yang memungkinkan disebabkan oleh keterlambatan material paduan dalam

proses quenching.

Pemanasan 1100oC dengan waktu tunggu 1, struktur mikro yang ada memiliki bentuk jarum yang agak

bulat. Retak teramati dengan jelas pada paduan 2 dan 4. Sedangkan untuk waktu tunggu 4 jam ukuran struktur

mikronya menjadi kecil dan banyak, kemungkinan disebabkan oleh struktur mikro yang terjadi mengalami

pemisahan pada saat pemanasan sebelum menjadi matriks.

Untuk paduan 2 dan 4 akibat pemanasan 1200oC panas selama 1 jam, terjadi perubahan yang normal

yaitu berkurangnya struktur mikro yang berbentuk jarus dimana tampak bahwa matriks yang terjadi semakin

luas dengan ukuran struktur mikro yang semakin kecil. Berikut gambar yang dapat mewakili hasil mikroskop

optik.

Gambar 8: Struktur mikro paduan 2 akibat pemanasan Gambar 9: Struktur mikro paduan 4, akibat pemanasan

1200 oC, 4 jam (400x) 1200 oC, 4 jam (400x)

Pada pemanasan 1200oC selama4 jam pada untuk paduan 4, menunjukkan bahwa perlakuan panas

dengan temperatur ini dapat membuat komposisi paduan menjadi semakin homogen.

KESIMPULAN

1. Dari hasil EDAX, paduan dengan komposisi Ti50Al% berat atau Ti63Al % atom, fasa -TiAl terdapat

struktur mikro bentuk jarum, dan matriks mempunyai fasa -TiAl + TiAl2

2. Unsur Molibdenum dengan komposisi 2 dan 50 % berat pada paduan as cast belum memberikan efek

pengerasan dan kekerasan tertinggi pada paduan 4 yaitu 658,476 VHN

3. Perlakuan panas yang diberikan dengan waktu 1 dan 4 jam pada temperature 1000, 1100 dan 1200oC

dirasakan belum cukup untuk menyeargamkan komposisi paduan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Dogan, N., Wagner, R., Beaven, P.A, 1991, Fracture Behaviour of a Ti-48, 5Al-1Mn Alloy, Scripta

Metallurgica et Materialia, vol.25, pp. 773-778

2. Valencia, J.J, McCullough, C.Levi, C.G., Mahrabian., R., 1987, Structure Evolution During Conventional

and Rapid Solidification of Ti-50% Al alloy, Scripta Metallurgica, vol 21., pp. 1341-1346.

3. Reed-Hill, Robert E, Abbaschian Rezon, 1992., Physical Metallurgy Principles, 3rd ed, PWS-KENT

Publishing Company, Boston.