BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pengembangan material yang memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi merupakan salah satu topik menarik yang terus dikaji oleh peneliti. Contoh aplikasi penggunaan material pada temperatur tinggi adalah pemakaian bilah turbin (turbine blade) pada mesin turbin gas yang operasi kerjanya hingga mencapai temperatur 1200 o C. Dengan tegangan luar yang tinggi, maka material yang digunakan harus memiliki kombinasi sifat-sifat seperti titik leleh yang tinggi, kekuatan pada temperatur tinggi (high temperature strength), ketahanan perayapan (creep resistance), ketangguhan (toughness), ketahanan lelah (fatigue resistance) ketahanan korosi temperatur tinggi (high temperature corrosion resistance), dan kestabilan struktur mikro (microstructural stability) (Suliyanti dkk, 2010). Salah satu rekayasa material untuk menjawab permasalahan terkait material temperatur tinggi adalah dengan melapisi tanpa mengubah struktur dan sifat material inti, tetapi mampu menutupi kekurangan material substrat. Teknik pelapisan material yang mampu membuat material memiliki ketahanan pada temperatur tinggi adalah Thermal Barrier Coating (TBC). TBC memiliki kemampuan menurunkan temperatur pada permukaan dan melindungi oksidasi termal pada saat temperatur tinggi. Sistem TBC telah digunakan secara luas sebagai material penting yang berhubungan dengan aplikasi dan mekanika aerospace, sistem dan komponen elektrokimia, seperti mesin gas turbin, pembakaran pada chamber (Meier, 1994) dan solid oxide fuel cells (SOFCs) (Singhal, 2003). Sistem TBC terdiri atas tiga lapisan, yang paling bawah ialah substrat, selanjutnya di atas substrat tersebut ada lapisan interface yang disebut dengan bond coat, dimana bond coat ini berfungsi sebagai pengikat antara substrat dengan lapisan tipis yang ada di atasnya, selain itu ia juga melindungi substrat dari terjadinya oksidasi, terakhir lapisan paling atas ialah top coat yang fungsinya menurunkan perpindahan 1

2 2 panas yang bersumber dari temperatur lingkungannya (Lee, 2014). Merujuk pada beberapa penelitian sebelumnya, material top coat yang sering digunakan pada sistem TBC adalah material keramik seperti mullite, alumina, zirkonia karena memiliki ketahanan yang cukup tinggi pada operasi temperatur tinggi. Dalam pembuatan sistem TBC terdapat dua metode proses penumbuhan lapisan tipis yaitu dengan metode reaksi kimia dan secara fisika. Beberapa metode penumbuhan lapisan tipis dengan proses kimia diantaranya Chemical vapor deposition (CVD), Sol-gel deposition, Photochemical deposition (PCD), electrochemical deposition (ECD), Spray pyrolysis deposition dan Chemical bath deposition (CBD), sedangkan untuk metode secara fisika ialah Sputtering dan Pulsed Laser deposition (PLD) (Ohring, 2002). Pulsed laser deposition (PLD) merupakan teknik penumbuhan lapisan tipis yang cakupan materialnya sangat luas, seperti oksida, nitrit, semikonduktor, metal dan bahkan polimer. Prinsip kerja dengan menggunakan PLD adalah substrat dan target diletakkan saling berhadapan di dalam vacuum chamber, kemudian tenaga laser digunakan sebagai sumber energi eksternal untuk menguapkan sebagian kecil material target menuju substrat. Kelebihan menggunakan teknik PLD adalah alat ini tersusun atas Ultra High Vacuum (UHV) chamber and sumber laser sehingga memungkinkan untuk bisa mengatur gas yang digunakan dan besar tekanan saat melakukan deposisi. Penggunaan laser dalam pendeposisian karena laser memiliki daya yang tinggi dan durasi pulsa yang pendek sehingga akan menghasilkan ablasi atom dan molekul dengan stoikiometri yang hampir sama dengan material targetnya (Suliyanti dkk, 2011). Selain itu penggunaan daya laser tinggi juga menyebabkan ablasi dari atom dan molekul tersebar merata sehingga menghasilkan lapisan dengan tingkat kekasaran yang rendah. Pada penelitian ini dilakukan studi deposisi lapisan tipis Yttria-Stabilized Zirconia (Y2O3-ZrO2) di atas substrat baja feritik dengan menggunakan teknik PLD yang arah aplikasinya pada penggunaan material yang memiliki ketahanan pada temperatur tinggi. Baja feritik merupakan material yang banyak digunakan di berbagai bidang mulai dari electronic device yakni sebagai bahan utama pada baterai hingga

3 3 pada pada komponen-komponen mesin yang membutuhkan kekerasan yang tinggi. Dari sifat intrinsiknya baja feritik memiliki kelemahannya yaitu bersifat korosif dan rentan terhadap perubahan temperatur tinggi (Sharifnabi dkk, 2013). Untuk menutupi kekurangan tersebut maka digunakan material keramik YSZ. Pemilihan YSZ karena memiliki beberapa keunggulan dibanding keramik lainnya yakni koefisien ekspansi termal tinggi, konduktivitas termal rendah dan resistansi shock termal tinggi. Fokus pengembangan penelitian ini adalah pada teknik penumbuhan lapisan tipis YSZ dengan menggunakan teknik PLD di atas substrat baja feritik dengan beberapa parameter yang divariasikan seperti perlakuan temperatur pada substrat dan jumlah tembakan laser. Dengan penggunaan PLD diharapkan lapisan tipis yang terbentuk memiliki tingkat homogenitas yang tinggi dan kekasaran yang rendah dibanding dengan teknik deposisi lainnya sehingga material ini berpotensi untuk digunakan sebagai material temperatur tinggi. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini yaitu mengenai sifat karakteristik hasil deposisi lapisan tipis YSZ pada substrat baja feritik yang dibagi menjadi berikut ini: 1. Apakah penumbuhan lapisan tipis YSZ pada baja feritik dengan menggunakan teknik PLD menghasilkan struktur kristal dan stoikiometri yang sama dengan material target? 2. Bagaimana pengaruh perlakuan temperatur substrat pada teknik PLD terhadap struktur kristal, struktur mikro dan roughness pada lapisan tipis YSZ? 3. Apakah jumlah tembakan laser YSZ pada teknik PLD mempengaruhi peningkatan kristalinitas, struktur mikro, roughness, ketebalan, kekerasan dan komposisi unsur Zr-Y pada lapisan tipis YSZ? 4. Apakah perbedaan substrat pada teknik PLD mempengaruhi struktur kristal, struktur mikro dan roughness pada lapisan tipis YSZ?

4 4 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini dilakukan menggunakan baja feritik tipe SS 430 dan Si- Wafer sebagai substrat yang dideposisi dengan YSZ dengan perlakuan temperatur substrat yaitu pada temperatur ruang dan dilanjutkan annealing 800 o C serta temperatur 800 o C saat pendeposisian. Selain itu juga dilakukan variasi jumlah tembakan laser yakni , dan Pembahasan pada penelitian ini mencakup pada perlakuan temperatur substrat dan jumlah tembakan laser terhadap karakteristik hasil lapisan tipis yakni sturuktur kristal, ketebalan, surface roughness, kekerasan, stoikiometri dan komposisi unsur pada lapisan YSZ yang terbentuk. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mendapatkan lapisan tipis YSZ di atas substrat baja feritik dengan teknik PLD dengan menghasilkan struktur kristal dan stoikiometri yang sama dengan material target. 2. Menganalisa pengaruh perlakuan temperatur substrat pada teknik PLD terhadap struktur kristal, struktur mikro dan roughness pada lapisan tipis YSZ. 3. Menganalisa pengaruh jumlah tembakan laser YSZ pada teknik PLD terhadap struktur kristal, struktur mikro, roughness, ketebalan, kekerasan dan komposisi unsur lapisan tipis YSZ yang terbentuk. 4. Membandingkan struktur kristal, struktur mikro dan roughness pada hasil penumbuhan lapisan tipis YSZ dengan substrat yang berbeda yakni pada baja feritik dan Si-Wafer.

5 5 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah: 1. Memberikan informasi mengenai sifat karakteristik dari baja feritik yang dideposisi YSZ dengan teknik PLD. 2. Memberikan informasi mengenai pengaruh perlakuan temperatur substrat baja feritik pada hasil lapisan tipis YSZ dengan teknik PLD. 3. Memberikan informasi mengenai pengaruh perubahan jumlah tembakan laser saat deposisi dengan teknik PLD pada hasil lapisan tipis YSZ. 4. Memberikan informasi mengenai tingkat kekerasan pada baja feritik yang terdeposisi YSZ dengan teknik PLD. 5. Dapat dipakai sebagai acuan dalam penelitian selanjutnya maupun dalam pengembangan aplikasinya. 1.6 Sistematika dan Penulisan Penulisan tesis dilakukan bersamaan dengan dilakukannya penelitian sehingga dalam tulisan dapat dijabarkan segala hal yang terjadi dalam penelitian baik itu proses dan hasil maupun kesimpulan dari tujuan penelitian ini. Tesis akan ditulis dalam enam bab, yaitu: pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran. Ditambahkan dengan daftar pustaka dan lampiran. Bab I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai teknologi lapisan tipis menggunakan PLD sebagai aplikasi pada sistem TBC, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan tesis. Bab II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan deposisi lapisan tipis dan TBC dari baja feritik yang dideposisi YSZ. Bab III berisi dasar teori yang berkaitan dengan prinsip dasar dan metode PLD, sifat dan karakteristik dari bahan baja feritik, YSZ, TBC dan karakterisasi material.

6 6 Bab IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan yang digunakan dalam preparasi lapisan tipis pada baja feritik, langkah-langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian, serta teknik pengolahan data yang digunakan. Bab V berisi tentang hasil yang diperoleh dari setiap kegiatan penelitian berikut pembahasannya. Bab VI merupakan kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan dan saran bagi penelitian lain berikutnya. Daftar pustaka berisi tentang seluruh pustaka yang diacu dalam penelitian ini, sedangkan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian, teknis analisis data dan dokumentasi penelitian.