Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron

Transkripsi

1 Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron (Eni Sugiarti) Akreditasi LIPI Nomor: 377/E/2013 Tanggal 16 April 2013 Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron ENI SUGIARTI, FREDINA DESTYORINI DAN KEMAS.A. ZAINI THOSIN Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan PUSPIPTEK Serpong-Tangerang Selatan Diterima: 26 Februari 2013 Revisi: 3 Mei 2013 Disetujui: 15 Mei 2013 INTISARI: Oksidasi pada baja karbon merupakan permasalahan utama pada aplikasinya di seluruh industri mencakup bidang bahan kimia, mineral dan industri bahan bakar. Teknik pelapisan pada baja karbon merupakan salah satu upaya yang dibutuhkan untuk meningkatkan ketahanan oksidasi dalam lingkungan ekstrim. Pada penelitian ini, NiCoCrAl telah berhasil dideposisikan pada baja karbon menggunakan teknik electrodeposition untuk NiCo dan teknik pack cementation untuk Cr dan Al. Irisan penampang lintang dari sampel yang terlapisi diamati dan dianalisa menggunakan SEM dan TEM. Hasil analisa SEM dan EDS menunjukkan bahwa sistem lapisan terdiri dari tiga layer: daerah paduan antar logam Ni(Al) dan Al(Cr), daerah interdifusi Ni(Co) dan daerah substrat. Fasa yang terbentuk telah diidentifikasi menggunakan TEM dengan teknik pola difraksi yang diamati perubahannya dari substrat ke lapisan terluar sebagai berikut: (Fe) - (Ni, Fe) (Ni) - Al3Ni. Untuk melihat performa kedua sistem lapisan dengan perbedaan temperatur proses, telah dilakukan pengujian oksidasi pada temperatur 800 O C selama 100 jam dan memberikan hasil bahwa sistem lapisan yang terbentuk pada temperatur 800 O C bersifat proktektif terhadap oksidasi dengan perubahan massa 0,82 mg/cm 2 sedangkan sistem lapisan yang terbentuk pada temperatur 1000 O C bersifat tidak protektif. KATA KUNCI : Baja Karbon, Struktur Mikro, Struktur Nano, SRM dan TEM ABSTRACT: The oxidation of carbon steel is major infrastructure degradation problem in practically all industries, including chemical materials, mineral, and petrochemical industries. Coating on carbon steel is one of the techniques which required improving oxidation resistance in extreme environments. In present work, NiCoCrAl was diffusion-coated onto a low carbon steel by electrodeposition for NiCo and pack cementation for Cr and Al. The cross section of the coated specimen was observed and analyzed using SEM and TEM. SEM and EDS results show that the coating comprises three layers: intermetallics zone of Ni(Al) and Al(Cr), interdiffusion zone of Ni(Co), and there is the substrate. The phase formation was identified by using TEM diffraction pattern from substrate to the top layer as described as follow: (Fe) - (Ni, Fe) (Ni) - Al3Ni. In order to understand the performance of two types coating system with different temperature process, oxidation test at temperature of 800 O C for 100 hours has been carried out and the result shows that coating system which was developed at 800 O C is protective for oxidation with 0.82 mg/cm 2 mass change, while, 1000 O C coating system is not protective. KEYWORDS: Carbon Steel, Micro Structure, Nano Structure, SEM and TEM 1. PENDAHULUAN Teknik pelapisan pada baja karbon merupakan salah satu upaya yang diperlukan untuk meningkatkan ketahanan oksidasi pada lingkungan ekstrim [1]. Sistem pelapisan dengan material MCrAlY (M = Ni dan/ atau Co) telah banyak digunakan untuk melindungi komponen dari oksidasi suhu tinggi dan korosi panas, baik sebagai lapisan maupun bond coat pada sistem Thermal Barrier Coating (TBC) [2,3]. Proses pendeposisian NiCoCrAl pada substrat baja karbon menggunakan metode gabungan electroplating dan pack cementation. Kedua metode yang dipilih merupakan metode yang sangat sederhana, dapat mendeposisikan material pada substrat dengan bentuk yang kompleks dan sangat berpotensi untuk dikembangkan dalam skala besar [4]. Pemilihan material pelapis didasarkan pertimbangan sifat dan karakteristiknya sebagai material yang dapat memberikan proteksi terhadap oksidasi. Aluminium memiliki pengaruh besar untuk memberikan ketahanan oksidasi dikarenakan membentuk -Al 2 O 3 yang pertumbuhan lapisan protektif oksidanya lambat [5]. Kromium berfungsi tidak hanya dapat meningkatkan ketahanan korosi tetapi juga dapat meningkatkan difusitas aluminium untuk membentuk dan menjaga stabilitas alumina sebagai protektif oksida serta mengurangi difusi oksigen kedalam paduan logam dengan menurunkan aktivitas oksigen pada lapisan antar muka (interface) [6]. Nikel membentuk fasa yang memiliki titik lebur tinggi dan tahan terhadap oksidasi seperti -Ni, `Ni 3 Al dan -NiAl [7]. Kobalt juga dapat meningkatkan ketahanan oksidasi dimana saat kosentrasi kobalt rendah maka ketahanan oksidasinya meningkat. Saat ini, penelitian yang mengarah pada peningkatan performa pelapisan baja karbon masih terus berjalan, sehingga analisa proses pembentukan/pelapisan material berskala mikro dan nano sangat diperlukan untuk meningkatkan performa baja karbon dan memperoleh hasil pelapisan dengan kondisi optimal sesuai dengan aplikasinya. 31

2 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: Penentuan struktur dari kristalisasi material merupakan cara yang sangat bermanfaat untuk memahami sifat material [8]. Pemanfaatan XRD (X-ray Diffractometer) dan SEM (Scanning Electron Spectroscope) yang umumnya digunakan dalam menganalisasi pembentukan fasa dan struktur lapisan telah memberikan informasi secara mikro [9]. Namun, dengan adanya informasi berskala nano menggunakan TEM (Transmission Electron Microscope) akan lebih memudahkan dalam mengetahui sifat bahan secara rinci pada sistem lapisan. Dengan adanya analisa yang dapat memberikan informasi secara detail dalam orde mikro (structure, topography, morfology, composition, dsb) dan nano (structure, crystal structure, crystal defect, dsb) [10-12] maka akan memudahkan dalam memahami mekanisme pembentukan lapisan dan menghindari terjadinya degradasi lapisan serta memperpanjang umur pakai dari suatu material. Selain membahas pengamatan struktur mikro dan nano sistem lapisan, akan dibahas hasil pengujian sampel terhadap ketahanan oksidasi pada temperatur tinggi untuk melihat bagaimana pengaruh perbedaan temperatur proses pada sistem lapisan. Dengan demikian tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari struktur lapisan NiCoCrAl pada baja karbon dan mengetahui hubungan antara struktur dengan ketahanan oksidasi pada aplikasi suhu tinggi. 2. METODOLOGI PENELITIAN Sampel yang akan dikarakterisasi pada penelitian ini merupakan baja karbon yang terlapisi logam paduan NiCo-Cr-Al. Tahapan pelapisan dilakukan dengan melapisi NiCo terlebih dahulu dengan teknik electroplating diatas substrat baja karbon selanjutnya diikuti Cr dan Al pack cementation secara berkesinambungan sehingga hasil akhirnya akan diperoleh 4 lapisan yang terdiri dari substrat/nico/cr/al sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 1, sedangkan prosedur penelitiannya mengikuti alur diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 1. Desain lapisan Fe/NiCo/Cr/Al. Gambar 2. Alur diagram proses pelapisan dan metode karakterisasi. 32

3 Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron (Eni Sugiarti) Berdasarkan diagram, sebelum melakukan proses pelapisan maka perlu mempersiapkan sampel, larutan electroplating dan campuran powder untuk pack cementation. Proses pelapisan secara electroplating dan pack cementation telah diuraikan secara rinci pada karya ilmiah [13]. Uji oksidasi pada penelitian ini dilakukan pada temperatur 800 o C dengan total waktu oksidasi selama 100 jam pada sampel yang telah terlapisi NiCo-Cr-Al. Mulanya, sampel dipanaskan dari temperatur ruang (30 o C) hingga mencapai 800 o C dan ditahan pada temperatur tersebut selama 1 jam. Kemudian temperatur sampel diturunkan hingga kembali mencapai temperatur ruang. Selanjutnya sampel dikeluarkan dan ditimbang. Kemudian sampel dimasukkan lagi ke dalam furnace, temperatur dinaikkan hingga mencapai 800 O C dan ditahan selama 4 jam (sehingga total lama oksidasi = 5 jam). Setelah waktu tahan selesai, temperatur furnace kembali diturunkan, kemudian sampel dikeluarkan dan ditimbang. Begitu seterusnya hingga total lama oksidasi mencapai 100 jam. Pola waktu tahan uji oksidasi hingga mencapai 100 jam ditunjukkan pada Gambar Temperatur ( o C) 30 Waktu (jam) Gambar 3. Pola Uji Oksidasi pada temperatur 800 O C dengan total waktu oksidasi selama 100 jam. Selanjutnya, keseluruhan sampel dianalisa secara detail dalam orde nano dan mikro. Karakterisasi berskala nano dilakukan dengan memanfaatkan TEM (Transmission Electron Microscopy) dimana sampel yang akan diamati perlu dipreparasi secara irisan melintang (cross section) terlebih dahulu menggunakan teknik ion beam milling. Sedangkan karakterisasi berskala mikro dilakukan dengan memanfaatkan SEM (Scanning Electron Microscopy). 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Sampel yang dianalisa telah disiapkan secara penampang melintang (cross section) untuk mengetahui morfologi, mikrostruktur dan analisa elemen dengan memanfaatkan SEM dan EDS. Gambar 4 merupakan mikro struktur penampang lintang dan profil kosentrasi dari 2 jenis sampel yang telah dilapisi NiCo/Cr/Al dengan variasi temperatur proses pelapisan yaitu 800 o C dan 1000 o C. Dari hasil pengamatan dan berdasarkan gambar SEM mikro struktur (bagian atas) dan profil kosentrasi hasil EDS (bagian bawah), dapat diketahui bahwa sistem lapisan yang terbentuk pada temperatur 800 o C menunjukkan tipikal layer yang homogen dan terdiri dari 3 layer: layer pertama adalah paduan Ni(Co), layer kedua adalah paduan Ni(Al) dan layer ketiga adalah zona paduan antar logam (intermetallic) dari Al(Cr, Ni). Difusi masing-masing unsur pembentuk lapisan diamati secara line analysis sepanjang ketebalan sistem lapisan yaitu 160 m yang menunjukkan bahwa layer Ni(Co) dengan ketebalan 65 m mengandung (90-86 at%)ni dan (10-8 at%)co, layer Ni(Al) dengan ketebalan 50 m mengandung (52-42 at%)ni dan (49-43 at%)al, dan layer Al(Cr,Ni) dengan ketebalan 25 m mengandung (66-64 at%)al, (20-18 at%)cr dan (11-13 at%)ni. Struktur yang terlihat menunjukkan terbentuknya lubang (void) berdekatan pada wilayah antar lapisan (interface layer). Sedangkan pada sistem lapisan yang terbentuk pada temperatur 1000 o C terdiri dari 2 layer: layer pertama adalah paduan Ni(Al), layer kedua adalah paduan struktur 2 fasa yang terdiri dari Ni(Al) dan Al(Fe,Ni). Difusi masing-masing unsur pembentuk lapisan sepanjang ketebalan sistem lapisan yaitu 420 m menunjukkan bahwa layer Ni(Al) dengan ketebalan 180 m mengandung (52-48 at%)ni dan (48-44 at%)al, layer Al(Fe,Ni) dengan ketebalan 180 m mengandung (64-60 at%)al, (20-14 at%)fe, dan (23-16 at%)ni. Struktur yang terbentuk menunjukkan banyaknya retakan (crack) dan lubang pada layer pertama. Kontras yang berbeda pada layer kedua menunjukkan struktur dua fase dan hal ini telah dibuktikan dengan analisa poin pada masing-masing kontras yang berbeda. Dapat diketahui pula bahwa sampel yang terbentuk 33

4 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: pada temperatur 1000 o C memiliki ketebalan hamper 3x lipat dibandingkan sampel yang diproses pada temperatur 800 o C. Sehingga dari hasil yang diperoleh dapat diketahui bahwa temperatur dan waktu sangat mempengaruhi deposisi material pelapis pada substrat. Gambar 4. Mikro struktur penampang lintang dan profil kosentrasi dari 2 jenis sistem lapisan yang diproses pada temperatur 800 o C dan 1000 o C sebelum diuji oksidasi. Setelah dilakukan uji oksidasi, dapat diketahui struktur dan profil kosentrasi elemen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Berdasakan kondisi strukturnya (Gambar 5 atas), lapisan oksida jelas terlihat pembentukannya pada lapisan terluar sampel 800 o C yang ditandai dengan warna hitam yang hampir homogen, namun untuk sampel 1000 o C terjadi oksidasi internal yang ditandai dengan terjadinya sebaran oksida di bagian dalam yang kemungkinan disebabkan karena lapisan protektif oksida yang terbentuk pada permukaan lapisan terluar sangat tipis. Sedangkan difusi elemen yang terjadi dapat dijelaskan berdasarkan profil kosentrasi (Gambar 5 bawah). Berdasarkan hasil pengamatan pada sampel 800 o C dapat dijelaskan sebagai berikut: Al berdifusi menuju layer 1 setelah terjadi oksidasi sehingga mempengaruhi ketebalan lapisan NiCo dan Ni(Al). Oksigen yang masuk pada layer terluar bereaksi dengan Al dan diharapkan membentuk lapisan protektif Al 2 O 3, Namun Cr 2 O 3 juga berkontribusi meskipun komposisinya sangat dikit dikarenakan Cr berdifusi kedalam menuju substrat. Spot-spot hitam yang tampak pada layer kedua adalah oksigen yang bereaksi dengan Ni dan Al. Pada sampel 1000 o C, elemen Cr mencampai 15at% pada lapisan terluar yang sebelumnya tidak terdeteksi sebelum dilakukan uji oksidasi serta kemungkinan terbentuk lapisan protektif campuran Al 2 O 3, Cr 2 O 3 dan NiO. Selanjutnya evaluasi secara siklus pada pengujian oksidasi dilakukan pada temperatur 800 o C selama 100 jam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dari kurva oksidasi tersebut dapat diketahui bahwa sampel yang diproses pada temperatur 800 o C menunjukkan kurva parabolik yang artinya bersifat protektif atau memiliki ketahanan oksidasi yang baik dengan perubahan massa sebesar 0,82 mg/cm 2. Sedangkan sampel yang terbentuk pada 1000 o C menunjukkan kurva linier yang artinya bersifat tidak protektif terhadap oksidasi dikarenakan perubahan massa pada 100 jam sebesar 1 mg/cm 2 akan terus meningkat dengan bertambahnya waktu pengujian oksidasi yang mengakibatkan lapisan NiCoCrAl lambat laut terkikis dan tidak melindungi substratnya. Hal tersebut dapat dibandingkan pula berdasarkan hasil SEM dimana berdasarkan strukturnya, 34

5 Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron (Eni Sugiarti) lapisan protektif oksida pada bagian terluar terbentuk pada sampel 800 o C dan oksida internal yang akan menurunkan performa sampel dengan terjadinya pengelupasan lapisan terbentuk pada sampel 1000 o C. Gambar 5. Mikro struktur penampang lintang dan profil kosentrasi dari 2 jenis sistem lapisan setelah diuji oksidasi. Gambar 6. Kurva oksidasi kinetik dari 2 jenis sistem lapisan pada temperatur 800 C selama 100 jam di udara. Identifikasi fasa yang terbentuk pada setiap layer dimasing-masing sampel sebelum pengujian oksidasi dapat diketahui dengan memanfaatkan fitur pengamatan pola difraksi elektron dari area terpilih (selected area electron diffraction, SAED) menggunakan fasilitas TEM. Teknik yang digunakan ini memiliki keunggulan karena dapat mengetahui dengan jelas transformasi fasa dari substrat ke lapisan terluar masingmasing sampel. 35

6 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: Gambar 7. Pola difraksi electron (SAED) (a) FeNiCoCrAl 800 o C dan (b) FeNiCoCrAl 1000 o C. Gambar 7 merupakan pola difraksi yang diperoleh dari setiap layer pada sistem lapisan. Dengan memanfaatkan pola difraksi elektron, maka penentuan struktur kristal dan parameter kisi (lattice parameter) dapat diketahui. Caranya yaitu dengan sistem index pola difraksi melalui pengukuran jarak, r hkl, antara spot transmisi (bulatan besar ditengah) dan spot refleksi (bulatan kecil disekitarnya) dimana hasil pengukurannya diringkas pada Tabel 1. Berdasarkan hasil pada Tabel 1 diketahui bahwa (Ni,Fe) dan telah teridentifikasi pada seluruh sampel yang diamati. Struktur orthorhombic dengan fasa Al 3 Ni hanya teridentifikasi pada sampel yang diproses temperatur 800 o C. Selain itu pula diketahui bahwa layer kedua sampel yang diproses temperatur 1000 o C memiliki 2 fasa yaitu -NiAl dan hexagonal struktur. Sedangkan untuk mengukur parameter kisi pada Tabel 1 menggunakan persamaan yang berbeda bergantung pada strukturnya. Contoh untuk struktur orthohombic menggunakan persamaan 1 berikut: h k l Orthorhombic : (1) d a b c Tabel 1. Data Komposisi, Struktur Kristal, Fase dan Lattice Parameter dari 2 jenis sistem lapisan. 4. KESIMPULAN DAN SARAN Telah berhasil dilakukan analisa terperinci pada sampel lapisan NiCo/Cr/Al diatas substrat baja karbon dalam skala nano-mikro dengan memanfaatkan TEM dan SEM. Berdasarkan karakterisasi mikro diketahui bahwa sistem lapisan sebelum uji oksidasi yang terbentuk pada temperatur 800 o C terdiri dari 3 layer homogen dan sampel yang diproses pada temperatur 1000 o C terdiri dari 2 layer. Setelah dilakukan uji oksidasi pada masing-masing sampel diketahui berdasarkan struktur yang diamati oleh SEM bahwa lapisan protektif terbentuk pada bagian terluar sampel 800 o C dan internal oksidasi pada sampel 1000 o C, sedangkan berdasarkan kurva oksidasi kinetik menunjukkan bahwa sampel 800 o C memiliki tren kurva parabolik yang bersifat protektif sehingga mengakibatkan ketahanan oksidasi sampel 800 o C lebih baik dibandingkan 36

7 Pengamatan Struktur Mikro-Nano Sistem Lapisan pada Baja Karbon Berbasis Mikroskop Elektron (Eni Sugiarti) sampel 1000 o C. Berdasarkan karakterisasi nano diketahui bahwa sampel yang terbentuk pada temperatur 800 o C mengalami transformasi fasa (Fe) hexagonal struktur. Selanjutnya untuk sampel yang diproses pada temperatur 1000 o C terjadi transformasi fasa (Ni, Fe) hexagonal struktur. Perbedaan temperatur proses akan memberikan pengaruh terhadap interdifusi setiap elemen sehingga akan mempengaruhi pembentukan paduan, ketebalan lapisan dan fasa pada masing-masing layer. DAFTAR PUSTAKA [1] Ehteram A. Noor and Aisha H. Al-Moubaraki, Corrosion Behavior of Mild Steel in Hydrochloric Acid Solutions. Int. J. Electrochem. Sci., Vol. 3 (2008) [2] A.J. Burns, R. Subramanian, B.W. Kempshall, Y.H. Sohn, Microstructure of As-Coated Tthermal Barrier Coatings With Varying Lifetimes, Surface and Coatings Technology (2004) [3] M. Seraffon, N.J. Simms, J. Sumner, J.R. Nicholls, The Development of New Bond Coat Compositions for Thermal Barrier Coating Systems Operating Under Industrial Gas Turbine Conditions, Surface & Coatings Technology (2011) 1-9 [4] Toshio Narita, Takeshi Izumi, Takumi Nishimoto,Yoshimitsu Shibata, Kemas Zaini Thosin, Shigenari Hayashi, Advanced Coatings on High Temperature Applications, Materials Science Forum, Vol (2006) [5] R. Prescott, and M.J. Graham, The formation of alumina oxide scales on high-temperature alloys, Oxidation of Metals, 38 (3-4), pp , [6] S. Bose, High temperature coatings, Elsevier, Amsterdam, [7] Y. Tamarin, Protective coatings for turbine blades, ASM International, Ohio, [8] Misao Hashimoto, Advances in Nano-Level Materials Characterization Technology, Nippon Steel Technical Report No. 91 January [9] J.I. Goldstein: Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, New York, Springer 3 rd ed. (2003). [10] D.B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy: a Textbook for Materials Science (1996) New York, Springer. [11] N. Miyajima, C. Holzapfel: J. Microscopy 238 (2010) [12] S. Tateno, R. Sinmyo, K. Hirose and H. Nishioka: Rev. of Sci. Inst. 80 (2009) 1-4. [13] Didik Prasetya, Eni Sugiarti, Fredina Destyorini, and Kemas Ahmad Zaini Thosin, The influence of Cr and Al pack cementation on low carbon steel to improve oxidation resistance, AIP Conf. Proc. 1454, (2012)

8 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: