PENGARUH IMPLANTASI ION YTTRIUM (Y) TERHADAP SIFAT KETAHANAN OKSIDASI SUHU TINGGI MATERIAL FeAl DAN KARAKTERISASINYA

Transkripsi

1 Anis Yuniati Fakultas Saintek, Universitas Islam Negeri Sunan Kalijaga, Yogyakarta Kusminarto Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Sudjatmoko PTAPB-BATAN, Yogyakarta ABSTRAK Telah dilakukan implantasi ion elemen reaktif yttrium (Y) pada material FeAl tujuan untuk menyelidiki pengaruh terhadap sifat ketahanan oksidasinya menggunakan mesin implantor ion 00 kev/ ma. Implantasi ion dilakukan pada energi 100 kev dan 3 (tiga) variasi dosis ion yaitu, ion/cm ; 5, ion/cm dan 8, ion/cm. Uji ketahanan oksidasi secara siklus termal selama 6 siklus dilakukan dalam tabung furnace tipe RTI/AGG parameter tegangan/arus: 0/45 volt/ampere, frekuensi: Hertz, suhu maksimum 1000 C yang dialiri gas oksigen kecepatan alir 4,17 cc/menit, suhu C, waktu pemanasan 5 jam dan waktu pendinginan 17 jam. Perubahan sifat ketahanan oksidasi diamati cara menimbang perubahan berat dari sampel untuk setiap siklus baik untuk material yang diimplantasi maupun yang tidak diimplantasi. Juga dilakukan karakterisasi untuk mengamati perubahan struktur mikro dan komposisi kimia menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) yang dikopel EDAX tipe JEOL JSM-35C. Dari uji siklus termal diperoleh hasil bahwa dosis optimum implantasi ion yttrium untuk meningkatkan ketahanan oksidasi material FeAl adalah sebesar, ion/cm. Dari pengamatan struktur mikro diperoleh hasil bahwa selama oksidasi siklus termal ternyata terjadi perubahan butir-butir yaitu semakin membesar. Juga dari analisis menggunakan EDAX teramati senyawa oksida protektif seperti Y O 3 yang menyebabkan sifat ketahanan oksidasinya meningkat. Dari pengamatan komposisi kimia teramati bahwa pada dosis optimum terbentuk lapisan oksida yttrium sebesar 0,68 % massa. Kata kunci : implantasi ion, ketahanan oksidasi, yttrium ABSTRACT Implantation of reactive elements ion of yttrium (Y) into FeAl materials with the purpose to investigate their effects on oxidations resistance has been done using 00 kev/ ma ion implantor. Ion impantation process has been done at energy of 100 kev and three varied of dose such as, ion/cm ; 5, ion/cm and 8, ion/cm. Testing of oxidation resistance for thermal cycling conditions for 6 cycling has been carried out in furnace tube RTI/AGG, with the following parameters, voltage/current: 0/45, freqeuncy: 50-60, temperature max 1000 C type, introduced by oxygen gas with the flow rate 4,17 cc/minute, C of temperature, 5 hours of exposure time and 17 hours of cooling time. Changing of oxidation resistance was observed by weighing the mass changing of the samples for each cycling for implanted and un-implanted materials. It was also observed the changing of microstructure and chemical compositions using Scanning Electron Microscopy (SEM) coupled with EDAX (Energy Dispersive X-Rays Spectroscopy) of JEOL JSM- 35C type. From thermal cycling testing, it was found that the optimum ion dose for yttrium ions is in order of, ion/cm. From microstructure observation, it was found that during thermal cycling oxidation the grain size is growth. It was also found the formed oxide compounds as a protective layer is Y O 3. Chemical composition analysis showed that at the optimum ion dose the content of yttrium oxide layer is in order 0,68 %mass. Key words : ion implantation, oxidation resistance, yttrium Vol. 10, Oktober 008 :

2 PENDAHULUAN P ada umumnya logam-logam pada suhu tinggi akan sangat mudah rusak, karena adanya reaksi yang cepat oksigen dari udara kecuali untuk logam mulia (Rachmat Supardi, 1997). Untuk menekan kemungkinan terjadi oksidasi dan proses korosi lainnya perlu dikembangkan material yang mampu bertahan pada suhu tinggi. Material alternatif yang telah ditemukan dan mampu mengganti paduan super di antaranya adalah paduan biner TiAl dan FeAl. Telah diketahui dari peneliti-peneliti sebelumnya bahwa perlakuan permukaan penambahan elemen reaktif seperti Y, Ce dan La pada dosis dan kedalaman tertentu dapat meningkatkan ketahanan oksidasi logam atau paduan logam (Varma, 001). Modifikasi permukaan bahan menggunakan implantasi ion bertujuan untuk pelapisan permukaan cara mengimplantasikan atom asing ke dalam bahan sehingga terbentuk paduan lapisan tipis pada permukaan konsentrasi dan kedalaman tertentu. TEORI Dosis Ion Dopan Prinsip kerja mesin implantasi ion adalah ketika ion dopan yang diproduksi dalam sumber ion dipercepat dalam tabung akselerator, berkas ion ini dilewatkan pada sebuah lensa kuadrupol agar dapat terfokus pada satu titik yang diinginkan. Untuk mendapatkan ion dopan yang benar-benar murni maka berkas ion dilewatkan ke magnet pemisah dan selanjutnya mengenai permukaan material sasaran. Dosis ion didefinisikan sebagai jumlah ion yang sampai pada permukaan sasaran persatuan luas (ion/cm ). Besaran ini akan menentukan jumlah atau prosentase ion yang terimplantasi. Nilai dosis ion sebagai fungsi arus berkas ion dan lamanya proses implantasi (detik) dapat dihitung melalui persamaan (Kusminarto, dkk, 1999): Anis Yuniati, dkk. I t D = (1) e A berkas D = dosis ion (ion/cm ) I = arus berkas ion (ampere) t = lamanya proses implantasi (detik) A = luasan berkas (cm ) e = muatan keunsuran elektron (1, coulomb) Jangkauan Ion Berkas ion energi awal E 0 (kev), dalam perjalanan memasuki sasaran karena berinteraksi elektron maupun inti sasaran akan kehilangan energinya dan akhirnya berhenti pada tempat tertentu (Ryssel dan Ruge, 1986). de de de = + = N( Se + S n ) () dx dx e dx n N = rapat massa pusat hamburan dari bahan target S e = daya henti elektronik S n = daya henti nuklir Jarak total yang ditempuh oleh ion dalam material sasaran dihitung pada saat ion masuk sasaran sampai ion berhenti di suatu lokasi dalam kisi-kisi atom sasaran dan disebut jangkauan ion. Secara matematis jangkauan ion dalam suatu bahan dapat ditulis dalam bentuk persamaan (Dearnaley, 1973) : 0,6ms ( mi + ms ) ( z 3 i + z s ) Rt = E (3) m z z i i R t = jangkauan ion (cm) m i = massa atom ion (amu, gram) m s = massa atom sasaran (amu, gram) z i = nomor atom ion z s = nomor atom sasaran E = energi ion datang (kev) Untuk keperluan teknis, didefinisikan suatu besaran jangkauan ion yang searah arah ion mulamula, dan besaran ini dinamakan jangkauan terproyeksi (R p ). Perbandingan jangkau total jangkau terproyeksi dinyatakan persamaan (Dearnaley, 1973) R R t p s 3 1 (1 + A) 1 A = (5 + A) arccos 1 3A 4 A 1+ A 1 (4) A = m s / m i Bila m s < m i, maka persamaan di atas dapat didekati persamaan berikut Rt R p ms A = 1 + = 1 + (5) 3m 3 i Bentuk lintasan ion dopan dalam suatu material dapat digambarkan seperti pada Gambar 1. 49

3 Gambar 1. Lintasan ion dopan dalam material target. R p R = i i 1 (6) Jumlah tumbukan dan perpindahan energi untuk setiap kali tumbukan adalah bersifat acak, sehingga suatu ion dopan energi awal sama akan mempunyai jangkau yang berbeda. Perbedaan jangkauan ini mengakibatkan adanya simpangan baku distribusi ion terproyeksi ( σ Rp ). Besarnya simpangan baku tersebut adalah (Ishikawa, 1994) 1 3mi + ms mi σ Rp = R p (7) 4( mi + ms ) ms Kinetika Oksidasi Seringkali tegangan dalam yang bersifat kompresif berkembang dalam oksida ketika oksida itu menebal. Jika tegangan yang berkembang itu kecil, maka retak-retak atau cacat-cacat akan menjadi rapat sehingga dapat menghambat laju oksidasi. Jika tegangan itu cukup besar, ikatan antara oksida dan logam bisa terputus sehingga lapisan itu akan pecah dan mengelupas. Pengelupasan itu terjadi akibat perpatahan lapisan antar muka antara logam dan oksida. Oksidasi adalah proses elektrokimia yang menghasilkan penambahan bilangan oksidasi dari suatu atom atau beberapa atom (dalam molekul) karena kehilangan elektron. Ketahanan oksidasi dari lapisan oksida dapat diuji oksidasi isothermal, oksidasi siklik (siklus termal) dan hot corrosion dalam larutan garam. Laju oksidasi dapat dihitung dari besarnya perubahan massa tiap satuan luas. W = k t (8) W = perubahan massa tiap satuan luas (g.cm - ) k = konstanta laju oksidasi (g.cm - s -1 ) t = waktu oksidasi (s) Berdasarkan persamaan Arrhenius penebalan oksida merupakan proses aktivasi termal konstanta laju oksidasi (Smallman,1991) Q k = k0 exp[ ] (9) RT Q = energi aktivasi untuk proses difusi pengendali laju oksidasi (J/mol) R = tetapan gas universal (8,31J/mol K) T = suhu (K) Laju penebalan selaput oksida bergantung pada suhu dan bahan. Oksida logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap akan berlangsung disertai penambahan berat yang bergantung pada waktu. Bila oksida yang terbentuk mudah menguap maka hilangnya berat juga sejalan waktu. Laju oksidasi dapat ditentukan menimbang berat oksida yang terbentuk sebagai fungsi waktu. Kinetika atau laju oksidasi pada dasarnya dapat dibagi dalam 3 kategori yaitu (Trethewey dan Chamberlain, 1991) : 1. Pertumbuhan Parabolik Apabila lapisan oksida tetap lekat ke permukaan logam dan menjadi penghalang yang homogen terhadap difusi ion-ion logam atau ionion oksida melalui lapisan itu, laju pertumbuhan oksida berbanding terbalik tebal sesaat (instannaneous thickness) : dy / dt = c 1 /y (10) integrasi dari persamaan di atas adalah : ½ y = c 1 t (11) (apabila t = 0, y = 0; karena itu tetapan integrasi tidak diperlukan). Logam-logam yang ber- Vol. 10, Oktober 008 :

4 oksidasi laju parabolik biasanya dicirikan dari oksidanya yang tebal dan lekat. Contoh logam-logam ini adalah kobalt, nikel, tembaga dan tungsten.. Pertumbuhan Garis Lurus Dalam hal ini laju oksidasi konstan terhadap waktu : dy / dt = c (1) bila persamaan di atas diintegrasikan menghasilkan : y = c t (13) Pertumbuhan garis lurus atau rektilinier terjadi bilamana oksida tidak mampu merintangi masuknya oksigen ke permukaan logam, sebagaimana terjadi bila oksida yang terbentuk dari volume logam tertentu terlalu kecil untuk melapisi seluruh permukaannya. Jika oksida retak atau terkelupas akibat besarnya tegangan dalam, maka pola pertumbuhan yang terjadi adalah serangkaian pendek tipe parabolik yang bila diamati secara keseluruhan akan tampak linier. Keadaan seperti ini disebut paralinier. Ini bisa terjadi bila siklus suhu cukup untuk membentuk perbedaan-perbedaan kontraksi dan ekspansi antara logam dan oksida yang membuat oksida terlepas dari logam. Pertumbuhan garis lurus ini dialami oleh logam yang diproses pada suhu tinggi, contohnya besi di atas 1000 C dan magnesium di atas 500 C. 3. Pertumbuhan Logaritmik Pada suhu rendah, permukaan akan terlapisi lapisan oksida tipis. Laju difusi menembus lapisan ini sangat rendah dan sesudah pertumbuhan yang cepat dalam periode awal berlalu, laju penebalan akhirnya menjadi nol. Persamaan untuk laju seperti ini adalah : y = c 3 log (c 4 t + c 5 ) (14) Contoh logam-logam yang teroksidasi cara seperti di atas adalah magnesium di bawah 00 C dan aluminium di bawah 50 C. *y = tebal oksida; t = waktu; c 1 hingga c 5 = tetapan-tetapan. TATA KERJA DAN PERCOBAAN Proses implantasi ion Yttrium dilakukan akselerator implantasi ion 00 kev/ma buatan PTAPB BATAN. Dalam pelaksanaan implantasi ion, dosis ion divariasi cara mengubah waktu lamanya proses implantasi (600, 100, dan 1800) detik, sedangkan energi dan arus ion dibuat konstan masing-masing sebesar 100 kev dan 10 µa. Penimbangan berat dilakukan dalam dua tahap yaitu setelah sampel diimplantasi dan setelah uji oksidasi siklus termal. Hal ini untuk mengetahui perubahan berat material sebagai akibat siklus termal. Uji oksidasi dilakukan dalam media oksigen kering yaitu mengalirkan oksigen laju aliran 4,17 cc/menit dan tekanan 1 bar ke dalam tabung selama 6 siklus termal, dimana setiap siklus termal adalah 5 jam pemanasan pada suhu 850 C dan pendinginan selama 17 jam pada suhu kamar 7 C. Gambar. Pertumbuhan lapisan oksida (Trethewey dan Chamberlain, 1991). Anis Yuniati, dkk. 51

5 HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mendapatkan data eksperimen yang akurat, terlebih dahulu dilakukan perhitungan teoritis tentang kedalaman maupun dosis ion menggunakan Program TRIM. Tabel 1. Hasil perhitungan dari simulasi TRIM. Ion dopan Energi ion (kev) de/dx elektron (ev/å) de/dx inti (ev/å) Rp (Å) σ Rp (Å) Y 100 3, , Tabel. Variasi dosis ion dopan. No Waktu implantasi (s) Dosis ion ion/cm Prosentase ion dopan (%) Y ,981 1, ,963, ,945 3,7 Hasil karakterisasi menggunakan SEM memberikan morfologi permukaan material FeAl yang tidak diimplantasi dan yang diimplantasi ion yttrium. Gambar 4. Morfologi permukaan material FeAl yang diimplantasi ion yttrium dosis a), ion/cm b) 5, ion/cm c) 8, ion /cm. Gambar 3. Morfologi permukaan material FeAl yang tidak diimplantasi. Material FeAl yang tidak diimplantasi mempunyai warna yang lebih terang dibandingkan material FeAl yang diimplantasi. Pada material FeAl yang diimplantasi ion yttrium secara umum terlihat butiran-butiran kecil dan tersebar merata susunan butiran yang teratur. Perbedaan banyaknya butiran dari masing-masing sampel yang diimplantasi ion yttrium yang disebabkan oleh variasi dosis. Semakin besar dosis maka butiran yang terbentuk juga semakin banyak. Vol. 10, Oktober 008 :

6 Gambar 5. Hasil pengamatan unsur material FeAl yang tidak diimplantasi menggunakan EDAX. a). Dosis, ion/cm b). Dosis 5, ion/cm c). Dosis 8, ion/cm Gambar 6. Hasil pengamatan unsur material FeAl yang diimplantasi ion yttrium menggunakan EDAX. Anis Yuniati, dkk. 53

7 Hasil karakterisasi EDAX pada sampel yang tidak diimplantasi terdapat unsur O, Al, Fe dan oksida Al O 3 dan FeO. Sedangkan pada material FeAl yang diimplantasi ion yttrium terdapat unsur O, Al, Fe,Y dan oksida Al O 3, FeO dan Y O 3. Besarnya % massa unsur yttrium semakin bertambah sebanding kenaikan dosis Perubahan Berat (gr/cm) Gambar 8. Morfologi permukaan material FeAl yang tidak diimplantasi setelah mengalami 6 siklus termal Siklus Termal Non Implan D1 Y D Y D3 Y Gambar 7. Laju oksidasi FeAl yang diimplantasi ion yttrium. Laju pertumbuhan selaput oksida yang terbentuk pada dosis, ion/cm dan 5, ion/cm berbentuk parabolik. Untuk material FeAl yang diimplantasi dosis, ion/cm merupakan dosis yang paling optimum karena gradien kurva pembentukan oksida yttrium lebih landai berarti oksida tersebut bersifat protektif dan dapat menghambat laju difusi gas oksigen sehingga tidak terjadi oksidasi FeAl yang merugikan. Lapisan oksida yang terbentuk pada material FeAl yang tidak diimplantasi adalah FeO dan Al O 3. Lapisan oksida ini bersifat non protektif karena daya lekatnya kurang kuat sehingga setelah melewati proses siklus termal berat sampel semakin berkurang karena terjadi pengelupasan. Material FeAl yang diimplantasi yttrium pada dosis 8, ion/cm lapisan oksida yang terbentuk tidak protektif. Untuk dosis ion yang terlalu besar maka laju oksidasi cenderung cepat dan kurang merata sehingga lapisan oksida pelindung yang terbentuk daya lekatnya kurang kuat sehingga terjadi pengelupasan. Pembentukan oksida yang terlalu cepat apabila tidak diimbangi ekspansi material induk akan menyebabkan mengelupasnya lapisan oksida. Setelah melewati 6 siklus termal dilakukan karakterisasi menggunakan SEM untuk mengamati morfologi permukaan material FeAl yang tidak diimplantasi dan yang diimplantasi ion yttrium. Gambar 9. Morfologi permukaan material FeAl yang diimplantasi ion yttrium setelah mengalami 6 siklus termal dosis a), ion/cm b) 5, ion/cm c) 8, ion/cm. Pada material FeAl yang tidak diimplantasi menunjukkan permukaan yang tidak rata dan tidak teratur. Pada permukaan sampel ini terbentuk lapisan oksida Al O 3 dan FeO yang mudah mengelupas jika mengalami oksidasi karena daya lekatnya yang lemah. Setelah mengalami uji oksidasi siklus termal morfologi permukaan material FeAl yang diimplantasi yttrium terlihat lebih teratur daripada material FeAl yang tidak diimplantasi dan terjadi perubahan butir-butir yang semakin membesar. Vol. 10, Oktober 008 :

8 Hasil karakterisasi EDAX pada sampel yang tidak diimplantasi terdapat unsur O, Al, Fe, serta lapisan oksida Al O 3 dan FeO. Untuk material FeAl yang diimplantasi ion yttrium terdapat unsur O, Al, Fe, Y serta lapisan oksida Al O 3, FeO dan Y O 3. Dari ketiga variasi dosis, lapisan oksida yttrium yang paling banyak adalah pada dosis, ion/cm, yang merupakan dosis yang paling optimum untuk meningkatkan ketahanan oksidasi. Gambar 10. Kandungan unsur material FeAl yang tidak diimplantasi setelah mengalami 6 siklus termal. KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari ketiga variasi dosis implantasi dosis optimum penambahan yttrium pada FeAl adalah dosis, ion/cm. a). Dosis, ion/cm. Dari pengamatan struktur mikro (SEM) menunjukkan permukaan material FeAl yang tidak diimplantasi tidak rata dan tidak teratur sedangkan permukaan material FeAl yang diimplantasi yttrium setelah mengalami uji oksidasi siklus termal terlihat lebih teratur dan terjadi perubahan butir-butir yang semakin membesar. 3. Dari pengamatan komposisi kimia (EDAX) teramati bahwa pada dosis optimum terbentuk lapisan oksida yttrium (Y O 3 ) sebesar 0,68 %mass. DAFTAR PUSTAKA b). Dosis 5, ion/cm [1] DEARNALEY, G., Ion Implantation, North Holland Company, Amsterdam, [] ISHIKAWA, J., Industrial Applications of Ion Beam, JSPS-KEK, International Spring School, [3] KUSMINARTO, MAHARTA, N., SUDJAT- MOKO., Pengaruh Dosis dan Energi Ion Nitrogen Terhadap Kekerasan Mikro Permukaan Baja AISI H13, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi, BATAN, Yogyakarta, c). Dosis 8, ion/cm Gambar 11. Kandungan unsur material FeAl yang diimplantasi ion yttrium pada 3 variasi dosis setelah mengalami 6 siklus termal. [4] RYSSEL, H., dan RUGE, L., Ion implantation, John Willey and Sons, London, [5] SMALLMAN, R.E., Metalurgi Fisika Modern, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,, Anis Yuniati, dkk. 55

9 [6] SUPARDI, R., Korosi, Tarsito, Bandung, [7] TRETHEWEY, K.R. dan CHAMBERLAIN, Korosi Untuk Mahasiswa dan Rekayasawan, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,, [8] VARMA, K., Static and Cyclic Oxidation of Ti- 44Al and Ti-44Al-x Nb Alloys, Oxidation of Metals,, 001. TANYA JAWAB Lely S. RM Mengapa sebelum proses oksidasi sudah terbentuk lapisan oksidasi Y O 3? Dan bagaimana perbandingan jumlah lapisan oksidasi Y O 3 yang terbentuk sebelum dan sesudah oksidasi, apakah sesuai hasil uji oksidasi pada suhu 800 o C? Anis Yuniati Karena material pada suhu ruang telah mengalami oksidasi lingkungan sekitar. Lapisan oksida Y O 3 yang terbentuk sebelum dan sesudah mengalami oksidasi siklus termal ada yang mengalami peningkatan dan ada yang mengalami penurunan. Pada dosis optimum, lapisan oksida Y O 3 yang terbentuk setelah siklus termal mengalami peningkatan jika dibandingkan sebelum oksidasi siklus termal. Damunir Apakah perubahan suhu campuran hasil implantasi campuran logam yang ibu pelajari, dilengkapi data analisis TGA? Bagimana? Anis Yuniati Seharusnya demikian, tetapi karena keterbatasan fasilitas maka dalam eksperimen ini belum dilengkapi TGA. Tjipto Sujitno Kenapa % Y ata Ce hasil teori jauh berbeda hasil pengamatan. Anis Yuniati Karena secara teoritis, semua ion dopan dapat terimplantasi ke dalam material. Sedangkan pada eksperimen, tidak semua ion dopan dapat masuk sampai dipermukaan material, misalnya terjadi efek samping. Vol. 10, Oktober 008 :