PENGARUH IMPLANTASI ION YTTRIUM DAN CERIUM TERHADAP STRUKTUR MIKRO PADUAN TiAl

Transkripsi

1 94 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal PENGARUH IMPLANTASI ION YTTRIUM DAN CERIUM TERHADAP STRUKTUR MIKRO PADUAN TiAl Sri Agustini FST-Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta, Lely Susita Retno Murwani PTAPB-BATAN, Yogyakarta INTISARI Dalam penelitian ini telah dilakukan penambahan unsur-unsur logam tanah jarang Yttrium (Y) dan Cerium (Ce) ke permukaan material intermetallics TiAl dengan menggunakan teknik implantasi ion. Implantasi ion dilakukan pada energi tetap sebesar 100 kev dengan dosis yang berbeda, yaitu sebesar 2,98 x ion/cm 2 dan 4,47x10 15 ion/cm 2. Perubahan sifat ketahanan oksidasi pada kondisi siklus termal selama 5 siklus dilakukan dengan cara memanasi sampel pada temperatur C selama 5 jam dan pendinginan pada temperatur kamar selama 19 jam. Dari hasil analisa unsur dengan menggunakan Energy Dispersive Analysis X-rays Spectroscopy (EDAXS) pada paduan TiAl yang telah diimplantasi dengan Yttrium dan Cerium dan dilakukan proses oksidasi, teramati prosentase massa oksida Al 2 berkurang dibandingkan dengan prosentase massa oksida Al 2 yang dihasilkan oleh paduan TiAl sebelum diimplantasi. Hal ini disebabkan selama proses oksidasi pada suhu 800 o C terbentuk lapisan oksida Y 2 dan CeO 2 yang dapat menghambat difusi oksigen ke permukaan paduan TiAl untuk membentuk lapisan oksida Al 2. Pembentukan lapisan oksida Al 2 ini memang harus dikurangi agar komponen aluminium tidak semakin menipis karena untuk konsumsi pembentukan Al 2. Kata Kunci; Oksidasi, unsur tanah jarang, implantasi I. PENDAHULUAN Material logam paduan (intermetallics) seperti TiAl merupakan material yang sangat menarik untuk aplikasi pada temperatur menengah untuk bidang transportasi seperti misalnya aeronatika (aeronatics) dan otomotif karena sifatnya yang ringan dan mempunyai kekuatan mekanik yang cukup tinggi, juga harganya yang relatif murah. Disamping itu, material tersebut mempunyai sifat ketahanan korosi yang sangat bagus sehingga sangat cocok untuk komponen sistim pembangkit daya [1]. Selama ini material yang banyak digunakan untuk maksud operasi temperatur tinggi adalah paduan super (super alloys) seperti misalnya paduan FeNiCr, maupun FeCrAl [2], namun material tersebut cukup berat dan juga mahal disamping itu oksida yang terbentuk mudah mengelupas akibatnya lama kelamaan material tersebut akan menipis. Dengan demikian para peneliti berlomba mencari material alternatif yang dapat mengganti fungsi paduan super tersebut. Diantara material alternatif yang telah ditemukan dan mampu mengganti fungsi paduan super adalah paduan TiAl. Dibandingkan dengan paduan super, paduan TiAl ini lebih ringan dan mempunyai kekuatan mekanik hampir sama. Kelemahan utama paduan ini adalah tidak tahan terhadap operasi di atas suhu 700 C dan sifat ductility yang rendah pada suhu kamar [3]. Pada kisaran temperatur ini, paduan dengan fasa γ-tial tidak membentuk oksida proteksi selama proses oksidasi dalam udara, umumnya terbentuk campuran oksida Al 2 /TiO 2 yang mempunyai sifat non proteksi [4]. Terbentuknya lapisan non proteksi disebabkan oleh menipisnya komponen Al/Ti karena untuk konsumsi pembentukan Al 2 /TiO 2. Fenomena terbentuknya lapisan non proteksi yang menyebabkan laju pertumbuhan oksida yang cepat dinamakan breakaway corrosion, dan biasanya terjadi pada waktu pemaparan yang cukup lama. Untuk mengatasi masalah tersebut beberapa peneliti telah menemukan bahwa dengan penambahan elemen-elemen reaktif seperti La, Cr, Mn, Mo, Nb, Pt, Rh, Si, Ta, W, Ce dan Y pada jumlah tertentu (berkisar antara 0,1% hingga 2% massa) dan dapat terdistribusi secara merata pada kedalaman kurang dari 500 Å akan mampu meningkatkan ketahanan oksidasi paduan TiAl di atas suhu 700 C [5]. Ketahanan material terhadap operasi suhu tinggi dikarenakan selama beroperasi mampu membentuk lapisan oksida pelindung (protective oxide layer). Oksida yang terbentuk ini mampu melindungi material pada suhu tinggi karena difusi oksigen terhambat sehingga laju pertumbuhan oksidanya lambat, votalitas rendah dan stabilitas termodinamikanya tinggi. Meskipun oksida yang terbentuk pada permukaan material bersifat protektif, namun karena adanya stress dalam pertumbuhan oksidanya sendiri, strain yang dihasilkan oleh peristiwa mekanis didalam komponen pada saat diperbaiki, ataupun stress yang muncul dari proses siklus termal (themal cycling) akibat perbedaan koefisien ekspansi termal antara oksida dengan material induknya (base material), mengakibatkan lapisan proteksi yang terbentuk cenderung mengelupas. Selain itu, jika elemen-elemen paduan terlalu larut dan material teroksidasi secara internal maka efektivitasnya dalam membentuk lapisan pelindung akan berkurang [6]. Masalah pengelupasan lapisan oksida ini bisa menjadi masalah yang serius jika tidak ditangani dengan baik. Dengan demikian perlu dilakukan pengendalian secara preventif untuk

2 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl 95 menghambat pengelupasan tersebut. Hal ini akan lebih baik daripada memperbaiki material secara kuratif yang biayanya akan jauh lebih besar. Peningkatan ketahanan oksidasi suatu material memerlukan suatu rekayasa permukaan karena oksidasi biasanya dimulai dari permukaan material. Salah satu metode yang digunakan untuk tujuan tersebut adalah teknik implantasi ion, yaitu suatu teknik untuk menambahkan atau mengimplantasikan atom dopan ke dalam material target. Kelebihan teknik implantasi ion untuk surface treatment dibandingkan dengan teknik teknik lain (difusi, epitaksi, dan paduan), kedalaman dan dosis ion dapat dikendalikan dengan akurat, prosesnya cepat (dalam orde menit), tidak ada thermal stress sebab tidak melibatkan besaran panas dan tidak terjadi perubahan dimensi (distorsi) yang berarti. Pada teknik implantasi ion, parameter yang berpengaruh terhadap hasil akhir adalah nomor dan massa atom sasaran, nomor dan massa atom dopan (jenis ion), energi dan dosis ion [7]. Berdasarkan data tersebut maka akan dilakukan penelitian tentang pengaruh dosis ion dopan terhadap sifat ketahanan oksidasi paduan TiAl di atas suhu C. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui terbentuknya lapisan pelindung yang berperan sebagai penghambat laju oksida dan penambah daya rekat lapisan oksida yang terbentuk pada permukaan paduan TiAl yang diimplantasi dengan elemen reaktif Yttrium (Y) maupun Cerium (Ce). Fenomena terbentuknya lapisan pelindung pada paduan TiAl setelah proses oksidasi dapat diamati dari profil laju oksidasi yang didapat dari eksperimen, pengamatan komposisi kimia, dan pengamatan struktur mikro permukaan paduan TiAl. Laju oksidasi bergantung pada beberapa faktor antara lain nisbah molar volume oksida terhadap volume material induk dan laju pemasokan oksigen ke permukaan luar oksida. Nisbah volume oksida yang terbentuk terhadap volume material yang dikonsumsi dalam proses pembentukan oksida adalah faktor paling penting dalam menentukan laju oksidasi untuk rentang waktu yang lama. Apabila volume oksida lebih kecil daripada volume material induk yang digunakan untuk membentuk oksida, maka oksida akan teregang pada permukaan material sehingga lapisan oksida yang terbentuk berpori dan tidak berfungsi sebagai pelindung. Proses oksidasi terus berlangsung dengan laju linier terhadap waktu. Jika volume oksida lebih besar daripada volume material yang digunakan untuk membentuk oksida, maka oksida yang terbentuk sinambung dan berfungsi sebagai pelindung [8]. Untuk elemen reaktif Y dan Ce nisbah molar masing-masing (1,13) dan (1,16). Bertambahnya daya lekat lapisan oksida yang telah terbentuk akan memberikan efek terhadap material, disamping kekerasan permukaannya meningkat, umur pemakaian material juga akan lebih lama sehingga secara ekonomi akan sangat menguntungkan [1]. II. METODE PENELITIAN Dalam penelitian ini metode yang diterapkan adalah metode eksperimen melalui beberapa tahapan yang meliputi: 1) Preparasi cuplikan dari material TiAl yang meliputi pemotongan dalam bentuk keping menggunakan gergaji intan, penghalusan bertahap dengan kertas abrasif dari ukuran kasar hingga yang berukuran halus, dilanjutkan pempolisan menggunakan pasta intan, dan pencucian cuplikan menggunakan alkohol untuk menghilangkan adanya kontaminasi (debu, minyak atau lemak) pada permukaan cuplikan sehingga diperoleh permukaan yang betul-betul halus merata dan mengkilap seperti cermin. 2) Dalam pelaksanaan eksperimen, cuplikan yang telah disiapkan diimplantasi dengan ion Y maupun Ce pada energi 100 kev serta dosis 2, ion/cm 2 (waktu implantasi 10 menit) dan 4,47x10 15 ion/cm 2 (waktu implantasi 15 menit), serta dilakukan uji oksidasi dalam media oksigen pada kondisi siklus termal dengan waktu pemanasan setiap siklus termal 5 jam pada suhu 800 ºC dan pendinginan 19 jam pada suhu kamar. Selama uji siklus termal, cuplikan dimasukkan ke dalam tabung kwarsa yang diletakkan dalam oven yang dialiri gas oksigen dengan laju aliran 0,019 cc/menit dan tekanan 1,5 kgf/cm 2. Adanya oksigen di lingkungan sekitar cuplikan menyebabkan terjadinya proses oksidasi pada suhu 800 ºC. 3) Laju ketahanan oksidasi dapat diperoleh dengan cara menimbang berat (mg/cm 2 ) untuk setiap akhir siklus termal, kemudian membuat kurva perubahan berat vs siklus. Dari kurva tersebut dapat diketahui profil laju oksidasinya. 4) Pengujian atau karakterisasi yang meliputi uji struktur mikro maupun komposisi kimia pada cuplikan TiAl sesudah proses oksidasi diamati dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) maupun Energy Dispersive Analysis X-rays Spectroscopy (EDAXS). Dari pengamatan meggunakan SEM dapat diketahui perubahan morfologi permukaannya, sedangkan dari pengamatan EDAXS dapat diketahui perubahan komposisi kimia dari permukaan yang diamati. SEM yang dikopel dengan EDAXS memanfaatkan pancaran sinar X dan elektron sekunder yang dipancarkan oleh sampel akibat tumbukan berkas elektron berenergi tinggi dengan sampel. Sinar X mempunyai panjang gelombang tertentu, dideteksi oleh detektor Si-Li.

3 96 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl Keluarannya berupa spektrum sinar X yang ditampilkan pada layar komputer. Elektron sekunder yang terpancar merupakan sinyal sekunder dari berkas elektron yang menumbuk sampel, kemudian ditangkap oleh Secondary Electron (SE) detector, kemudian ditampilkan pada layar CRT. III. HASIL DAN PEMBAHASAN III.1 Hasil Uji Sifat Ketahanan Oksidasi Untuk Material TiAl Gambar 1. Laju oksidasi siklus termal Ti 50 Al, Ti 50 Al-Y dan Ti 50 Al-Ce hasil implantasi ion pada dosis ion 2, ion/cm 2 dan 4, ion/cm 2. Dari hasil uji oksidasi menunjukkan bahwa selama uji oksidasi pada permukaan TiAl murni yang tidak diimplantasi, oksida yang terbentuk pada awal oksidasi hingga akhir siklus semakin tebal (laju oksidasinya cepat). Hal ini menandakan bahwa oksida yang telah terbentuk tidak mampu merintangi masuknya oksigen ke permukaan TiAl. Namun demikian dalam rentang 5 siklus termal, tidak terjadi pengelupasan oksida seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan oksida pelindung yang terbentuk mempunyai daya lekat yang kuat sehingga mampu menghalangi proses oksidasi selanjutnya. Ion Y dan Ce yang diimplantasikan pada permukaan TiAl divariasi dengan dosis ion 2, ion/cm 2 dan 4, ion/cm 2. Pada Gambar 1 terlihat adanya kecenderungan terbentuknya lapisan oksida yang bersifat protektif, baik untuk TiAl yang diimplantasi dengan ion Y maupun Ce. Pada rentang waktu oksidasi dari awal oksidasi sampai dengan akhir siklus, laju oksidasinya lebih kecil dari pada TiAl yang tidak diimplantasi. Hal ini kemungkinan disebabkan karena material yang mengandung Y atau Ce pada saat oksidasi membentuk lapisan Y 2 atau CeO 2 yang berperan sebagai penghambat difusi oksigen sehingga mengurangi laju oksidasi. Pada Gambar 1 tampak bahwa TiAl yang diimplantasi ion Y dengan dosis ion 2, ion/cm 2 dan 4, ion/cm 2 mempunyai profil laju oksidasi yang lebih baik dari pada TiAl yang diimplantasi dengan ion Ce, karena pada kondisi ini laju oksidasinya lebih rendah. Dapat disimpulkan bahwa penambahan ion Y atau Ce pada material TiAl mampu meningkatkan ketahanan oksidasi material TiAl. Hal ini ditunjukkan adanya penurunan laju oksidasi. Kondisi yang lebih baik dari penambahan ion Y atau Ce dalam meningkatkan ketahanan oksidasi material TiAl selama siklus termal dicapai pada dosis ion 2, ion/cm 2, karena pada dosis ini laju oksidasinya paling rendah. III.2. Hasil Pengamatan Struktur Mikro TiAl Struktur morfologi permukaan sampel TiAl yang tidak diimplantasi dan yang diimplantasi dengan ion Y maupun Ce sesudah mengalami siklus termal disajikan oleh Gambar 2.

4 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl 97 Counts kev Gambar 2(a). Struktur mikro Ti Al yang tidak diimplantasi sesudah proses oksidasi.

5 98 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl Counts kev Gambar 2(b). Struktur mikro Ti Al yang diimplantasi Y selama 10s, sesudah proses oksidasi.

6 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl 99 Counts kev Gambar 2(c). Struktur mikro Ti Al yang diimplantasi Y selama 15s, sesudah proses oksidasi

7 100 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl Counts kev Gambar 2(d). Struktur mikro Ti Al yang diimplantasi Ce selama 10s, sesudah proses oksidasi.

8 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl 101 Counts kev Gambar 2(e). Struktur mikro Ti Al yang diimplantasi Ce selama 15s, sesudah proses oksidasi.

9 102 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl Pada Gambar 2 secara beurutan diperlihatkan hasil karakterisasi morfologi permukaan dan struktur mikro material yang tidak diimplantasi (a), yang diimplantasi dengan ion Yttrium pada dosis. 2,98x10 15 ion/cm 2 (b), diimplantasi dengan ion Yttrium pada dosis. 4,47x10 15 ion/cm 2 (c), diimplantasi dengan ion Cerium pada dosis 2,98x10 15 ion/cm 2 (d), dan diimplantasi Cerium pada dosis 4,47x10 15 ion/cm 2 (e). Karakteristisasi ini dilakukan sesudah proses oksidasi selama 5 siklus, dengan menggunakan SEM dan EDAXS. Hasil analisa unsur menggunakan EDAXS untuk sampel tidak diimplantasi maupun yang diimplantasi dengan ion Y maupun Ce untuk 2 variasi dosis ion dan setelah mengalami oksidasi 5 siklus adalah sebagai berikut: Pada sampel yang tidak diimplantasi (Gb. 2a) teramati unsur Al (4,10 mass %), dan Ti (55,30 mass %) unsur O (40,59 mass %), dan juga teramati oksida Al 2 (7,75 mass%) dan TiO 2 (92,25 mass%). Sedangkan pada material TiAl yang diimplantasi Y dengan dosis ion 2,981x10 15 ion/cm 2 (Gb 2b), teramati Al (1,95 mass %), Ti (57,47 mass %) dan Y (0,36 mass %), O (40,22 mass %) dan juga teramati oksida-oksida seperti oksida Al 2 (3,69 %), TiO 2 (95,96 %) dan Y 2 (0,45 %), dan yang diimplantasi dengan ion Y pada dosis 4,47x10 15 ion/cm 2 (Gb. 2c), teramati unsur Al (1,39 mass %), Ti (57,99 mass %), Y (0,50 mass %) dan O (40,11 mass %), dan juga teramati oksida-oksida seperti oksida Al 2 (2,63 mass %), TiO 2 (96,73 mass %) dan Y 2 (0,64 mass %). Untuk material TiAl yang diimplantasi dengan ion Ce pada dosis ion 2,981x10 15 ion/cm 2 (Gb.2d), teramati unsur Al (0,24 mass %), Ti (59,69 mass %), dan Ce (0 mass %), O (40,08 mass %), dan juga teramati oksida-oksida seperti Al 2 (0,44 mass%), TiO 2 (99,56 mass%) dan CeO 2 (0 mass %), dan yang diimplantasi dengan ion Ce pada dosis ion 4,47x10 15 ion/cm 2 (Gb.2e), teramati Al (0,65 mass %), Ti (58,80 mass %), Ce (0,56 mass %), O (39,99 mass %), dan juga teramati oksida-oksida seperti Al 2 (1,22 mass%), TiO 2 (98,08 mass%) dan CeO 2 (0,68 mass%). Dari hasil di atas terlihat jelas perbedaan struktur mikro material TiAl yang tidak diimplantasi dengan material TiAl dan yang diimplantasi dengan ion Y maupun Ce. Pada permukaan sampel yang tidak diimplantasi terbentuk lapisan oksida Al 2 dan TiO 2 yang selama mengalami oksidasi tidak mengelupas karena mempunyai daya lekat yang kuat. Akan tetapi, teramati dari prosentase massa Al 2 yang masih tinggi menunjukkan bahwa laju oksidasinya relatif tinggi. Berbeda dengan material TiAl yang diimplantasi dengan elemen reaktif Y maupun Ce, pada gambar 2b, c, d maupun e dimana pada permukaannya terbentuk lapisan oksida yttrium (Y 2 ) maupun oksida cerium (CeO 2 ), sehingga menghambat difusi oksigen ke permukaan, yang ditunjukkan oleh prosentase massa Al 2 yang berkurang dibandingkan dengan material TiAl murni. Hal ini menunjukkan laju oksidasi yang rendah, sehingga permukaan material lebih tahan terhadap oksidasi pada suhu tinggi. Morfologi permukaan material TiAl yang diimplantasi dengan Y maupun Ce setelah mengalami uji oksidasi siklus termal terlihat lebih teratur daripada material TiAl yang tidak diimplantasi. Dari data-data di atas dapat ditunjukkan bahwa dengan terbentuknya Y 2 dan CeO 2 saat proses oksidasi TiAl terimplan, mengurangi prosentase massa Al 2 yang terbentuk saat oksidasi TiAl murni. Akan tetapi hasilnya kurang sempurna karena hasil rekam dari EDAXS ini hanya bisa menunjukkan adanya oksida-oksida dari Y dan Ce saja, padahal masih ada senyawa lain dari Ti, Al, Y dan Ce, seperti AlY, AlTiY, AlCe, AlTiCe yang juga mempunyai peran penting dalam menghambat difusi oksigen ke permukaan material, sehingga meningkatkan ketahanan oksidasi material tersebut. Untuk maksud tersebut bahan ini harus dilakukan uji kristal dengan menggunakan X-Ray Difraction (XRD) untuk memunculkan senyawa-senyawa lain yang terbentuk. IV. KESIMPULAN Dari eksperimen dan pengamatan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa, material TiAl yang diimplantasi dengan ion Y maupun Ce dengan dosis 2,981x10 15 ion/cm 2 dan 4,47 x10 15 ion/cm 2 saat proses oksidasi hingga suhu 800 o C membentuk oksida-oksida Y 2 dan CeO 2 yang dapat menghambat proses difusi oksigen ke permukaan TiAl sehingga mampu mengurangi pembentukan Al 2. Dengan demikian sifat ketahanan oksidasi material paduan TiAl mengalami peningkatan.

10 Sri Agustini, dkk / Pengaruh Implantasi Ion Yttrium Dan Cerium Terhadap Struktur Mikro Paduan TiAl 103 V. DAFTAR PUSTAKA 1. SEBASTIAN LAUNOIS, STEPHANE REVOL, REGIS BACCINO, 2OO2, Proprietes, Application et Development industriel d un Alliage Intermetallique FeAl Renforce Par Une Dispersion D,oxide Nanometriques, Materiaus. 2. MAYER, J., QUADAKKERS, W.J., UNTORO, P., 2000, Improvement of High-Temperature Corrosion Resistance of Titanium Aluminides, DFG/BMZ Programme on Research Co-operation with Developing Countries. 3. QUADAKKERS,W.J., et al, 2000, Bath to Bath Variations in The Oxidation Behaviourof Alumina Forming Fe-Based Alloys,Materials and Corrosion, 51, TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J, 1988,., Corrosion, for Students of Science and Engineering, Longman Group, UK Limited. 5. HIRAMATSU, N., and STOTT,F.H., The Effects of Molybdenum on the High Temperature Oxidation Resistance of Thin Foils of Fe-20Cr-5Al at Very High Temperatures, Oxidation of Metals, Vol. 53, No. 5/6. 6. KLOWER,J., 1998, Factors Affecting The Oxidation Behaviour of Thin Fe-Cr-Al Foils, Mterials and Corrosion 49, SUDJATMOKO, 1998, Aplikasi Teknik Implantasi Ion dalam Doping Bahan Semikonduktor dan Non Semikonduktor untuk Menghasilkan Bahan dengan Sifat Unggul, Laporan RUT III Bidang Ilmu Bahan. 8. SCHNEIBEL, J.H., Iron Aluminide Composite, Metals and Ceramics Division, Oak Ridge, National Laboratory, Oak Ridge, TN , schneibeljh@ornl.gov, 9. HAANAPPEL, V.A.C., AND STROOSNIJDER, M.F., Ion Implantation Techniques as Research Tool For Improving Oxidation Behaviour of TiAl Based Intermetallic Alloys, Surface Engineering, Vol 15, No.2.