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.>