BAB XIV TITANIUM DAN PADUANNYA. : Mahasiswa dapat menjelaskan Titanium dan paduannya

BAB XIV

TITANIUM DAN PADUANNYA

TIK : Mahasiswa dapat menjelaskan Titanium dan paduannya

I. Pendahuluan

Titanium diberi nama Titans, yaitu laki-laki yang sangat kuat dalam mitologi yunani. Titanium merupakan peringkat keempat dalam kerak bumi (0,86%) setelah aluminium, besi dan magnesium.

Titanium dalam susunan periodik unsur yang memilik struktur kristal HCP dengan densitas 4,54g/cm3. logam ini sangat mudah beraksi dengan oksigen, nitrogen, carbon dan hidrogen. Memiliki kekuatan mekanis yang baik tetapi sulit untuk dilakukan proses ekstraksi.

II. Uraian

14.1 Proses Ekstrasi Titanium

Dasar dari produk titanium disebut spons titanium sebab bongkahan logam yang diekstraksi dari biji titanium utama (rutile, TiO2) memiliki porosity yang terdapat pada spons. Biji – bija titanium yang lainya seperti Ilmenite, digunakan sebagai penambahan oleh produser spon lainnya. The Kroll proses merupakan salah satu proses yang digunakan untuk mendapatkan titanium yang berasal dari rutile. Proses ini merupakan sekumpulan operasi yang memerlukan pengawasan yang keras terhadapa kandungan pengotor. Titanium sponge dapat dijadikan pelindung dari udara atmosfer. Spons berikutnya dibersihkan dan dipadatkan kedalam elektroda untuk peleburan pada saat pembuatan ingot. Logam titanium diproduksi dari biji sampai akhirnya menjadi ingot, seperti diperlihatkan pada skema dibawah ini ;

Chlorination – biji rutile bereaksi dengan gas klorin pada temperatur elevasi menjadi titanium tetrachlorida (TiC4), suatu cairan tanpa warna dan gas karbon (CO,CO2), berdasarkan reaksi dibawah ini ;

TiO2 + 2Cl2 + C  TiCl4 + CO2 + Heat TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO2+Heat

Reaksi diatas merupakan reaksi eksoterm harus berhati-hari dalam mereaksikanya dalam tabung reaksi untuk menghasilkan suatu produk (TiCl4) yang mendekati murni. Untuk pemurnian TiCl₄ ini dari pengotor terkadang dibutuhkan menara destilasi.

Gbr. 14.1 Kroll Proses untuk mengekstraksi Titanium

Magnesium Reduction – TiCl4 dikombinasikan dengan cairan logam magnesium didalam suatu reaktor baja dibawah kontrol atmosfer untuk membentuk logam titanium yang ulet. Magnesium chlorida (MgCl₂) merupakan elektrolit untuk menangkap kembali gas klorin dan logam magnesium, keduanya kemudian akan direcycle kembali, reaksi yang terjadi adalah ;

TiCl₄ + 2Mg  Ti + 2MgCl₂

MgCl2 (dengan elektrolisa)  Mg + Cl2

Purification – Titanium spons ditempatkan pada tanki pembilasan dimana asam dan air dilepaskan dari magnesiuum klorida dan sisa magnesium. Metode yang lain untuk melepaskan pengotor dari spons adalah dengan menggunakan destilasi vacum. Produksi spons di USSR/Rusia dan jepang dapat memproduksi spons dengan kualitas yang baik.

Kebanyakan spons di import dari USSR/Rusia.

Melting – Spons titanium dapat dipadatkan sebagai unsur pokok dalam membuat elektroda untuk memproduksi ingot, atau jika alloy diinginkan untuk dicampur dengan unsur lain sebelum dipadatkan membentuk elektroda untuk operasi peleburan. Pencairan dengan busur listrik merubah elektroda kedalam suatu ingot, yang mana ketika dilakukan

peleburan kembali menjadi ingot dalam bentuk terakhir/yang diinginkan. Metode lain yang dipergunakan untuk membentuk primary ingot, dengan mencairkan spons, penambahan alloy, atau scrap, dalam suatu leburan dari logam yang dihasilkan dengan busur listrik, cara ini dipergunakan oleh beberapa produsen. Metode yang lain juga adalah meleburkan logam yang dilakukan didalam dapur vacum untuk menghilangkan uap pengotor seperti hidrogen dan MgCl₂ sisa.

Gbr.14.2. Vacuum Arc Revining (VAR)

14.2 Titanium dan paduannya

Titanium mempunyai titik cair yang tinggi yaitu 1668^oC dengan titik tranformasi pada 882^oC dari α T (hcp) menjadi β (bcc), α pada temperatur rendah. Berat jenis material ini 4,54 kira-kira 60% dari baja. Titianim mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik, hampir serupa dengan ketahanan korosi baja tahan karat. Titanium sendiri merupakan suatu logam aktif, tetapi titanium membentuk lapisan pelindung yang halus pada permukaannya, mencegah berlanjutnya korosi ke dalam. Kalau hydrogen yang terbentuk dari uap air di udara diabsorb oleh titanium. Selanjutnya O dan N, juga diabsorb oleh titanium, yang menyebabkan titanium menjadi keras. Oleh karena itu titanium menjadi getas kalau dipanaskan pada atau diatas temperatur 700^oC, selalu harus berhati- hati kalau memanaskan titanium di udara.

14.2.1 Perlakuan panas paduan titanium

Dilihat dari struktur mikronya paduan titanium terbagi atas fasa α, fasa α +β dan fasa β. Kepada fasa β tidak dapat diadakan perlakuan panas sedangkan pada fasa α dan fasa α +β dapat dilakukan perlakuan panas.

Paduan fasa α terutama mengandung Al dan Sn yang berguana setelah pelunakan atau penganilan dan penghilangan tegangan.

Paduan titanium dapat membentu martensit dan fasa α’ dengan pendinginan cepat dari fasa β, tetapi tidak begitu keras, yang memberikan sedikit pengaruh terhadap sifat- sifat mekanis. Pada paduan fasa α +β kalau fasa β lebih banyak, yang didinginkan pada air setelah dipanaskan sampai fasa α +β maka α +β merupakan struktur yang berbentuk bulat.

Fasa β yang terbentuk merupakan fasa yang metastabil, tidak langsung teruraimenjadi α +β terapi melalui suatu fasa antara yaitu ω, yang memiliki sifat keras dan getas, dalam hal ini presipitasi harus dihindari. Biasanya dipanaskan lebi tinggi dari temperatur presipitasi ω yang kemudian terurai menjadi fasa α +β yang halus. Kalau fasa α lebih banyak perlu dicelup dingin dari fasa β untuk mendapatkan α’ +β yang kemudian harus dipanaskan kembali untuk mendapatkan fasa β menjadi struktur α +β yang halus, paduan fasa β dapat berubah menjadi martensit karena pencelupan dingin, dan fasa β yang tersisa dipanaskan ke temperatur yang lebih tinggi dari temperatur presipitasi fasa ω untuk membuat presipitasi fasa α yang halus.

14.2.2 Near -α alloys

Suatu Near α alloys telah dikembangkan dengan temperatur elevasi yang sangat baik (T<590^oC). penambahan Niobium untuk meningkatkan ketananan oksidasi dan carbon dibolehkan lebih tinggi pada daerah temperatur yang melewati alloy α+β, cara yang digunakan merupakan proses thermomechanical. Alloy ini khususnya digunkan untuk pembuatan mesin pesawat dan mengantikan komponen yang dibuat dari Nickel super alloy. Mikrostruktur dari alloy terdiri dari butir primary-α, plate α dipisahkan oleh fasa β.

Alloy ini umumnya memiliki sifat – sifat diantaranya adalah ; kekuatan yang sedang dan keuletan yang baik (~15%), ketangguhan yang baik dan kekuatan mulur pada temperature tinggi, mampu las, ketahan yang baik pada lingkungan air garam.

Gbr. 14.3 diagram fasa biner Ti-8%Al dengan penambahan Mo,V dan struktur fasa Duplex annealed Ti- 8Al-1Mo1V berturut-turut

Tabel 14.1 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium near α alloy

14.2.3 Paduan titanium fasa α

Paduan Ti-5%Al-2,5%Sn adalah paduan fasa α yang khas mempunyai keuletan cukup dan mampu las yang baik. Sampai kira-kira 500^oC mempunyai kekuatan melar yang tinggi. Paduan-paduan yang terutama mempunyai larutan padat interstisi rendah dari atom C,N,O,dsb, adalah baik dipakai sebagai komponen mesin, penggunaan khususnya seperti kriogenik, kekuatan tinggi dan keuletan dapat bertahan hingga 253^oC. Aluminium merupakan elemen alloy utama selain Zr and Sn.

Paduan Ti-8%Al-1%Mo-1%V telah dikembangkan untuk penggunaan temperatur tinggi, yang dapat bertahan secara baik pada temperatur tinggi baik kekuatanya maupun kekuatan melarnya, dalam hal ini padua ini merupakan paduan terbaik diantara paduan fasa α dan fasa α + β oleh karena itu dengan proses penganilan dua tahap, keuletan pada temperatur rendah dapat diperbaiki.

Gbr. 14.4 diagram fasa α stabil pada Ti Alloy dan struktur mikro Ti-5%Al, 2.5%Sn dalam bentuk lembaran berturut-turut

Keberadaan sedikit jumlah dari fasa β ductile di dekat α alloy dapat menguntungkan untuk heat treatmen dan kemampuan untuk ditempa. Alloy kemungkinan mengandung beberapa elemen sebagai contoh ;

Ti – 6Al – 2Sn – 4Zr – 2Mo

Dimana Zr dan Sn memberikan solid solution strengthening.

Tabel 14.2 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium α alloy

Ti-5Al-2.5Sn wt% merupakan α alloy yang banyak diketemukan dipasaran dalam berbagai bentuk, hal ini disebabkan alloy ini stabil pada kondisi α, alloy ini tidak dapat di heat treatment. Oleh sebab ini alloy ini tidak begitu kuat, tetapi mudah dilas. Ketangguhan pada temperatur cryogenic meningkat ketika kandungan oxygen, carbon and nitrogen diturunkan.

Gbr. 14.5 Hubungan antara temperatur dan tegangan, dan ketangguhan Ti Alloy(sumber; National Institute for Materials Science, Japan)

Gambar diatas diambil dari Ti-5Al-2.5S, yang mengalami tempa pada 1473 K (maximum), ditahan pada 1073 K selama 2 jam dan selanjutnya didinginkan dengan pendinginan udara.

14.2.4 Paduan titanium α +β

Kebanyakan dari α+β alloy memiliki kekuatan yang tinggi dan mampu bentuk yang baik. Dan mengandung 4-6% fasa β yang stabil dan secara substansial jumlah fasa β tetap dipertahankan pada saat pencelupan dari fasa β→ α+β

Paduan Ti-6%Al-4%V merupakan paduan tipikal dari jenis fasa α +β yang banyak dipergunakan. Yang memiliki kekuatan pada temperatur tinggi, tetapi dibawah 150^oC keuletannya akan menurun. Alloy ini jumlah hampir setengah dari produksi titanium alloy, alloy ini banyak dipakai karena kekuatannya (1100 MPa) ketahanan mulur 300^oC , ketahanan fatiq dan mudah dicor. Selain alloy yang telah disebutkan paduan Ti- 4%Al-3%Mo-1%V juga merupakan paduan yang banyak dipergunakan.

Gbr. 14.6 Diagram fasa Ti-6Al-V dan struktur mikro Ti-6%Al-4%V daerah fasa α +β yang dianil(butir α warna putih dan fasa β warna gelap)

Tabel 14.3 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium α +β alloy

2.2.5 Paduan titanium fasa β

Paduan Ti-13%V-11%Cr-3%Al merupakan salah satu dari paduan dengan fasa β.

Kekuatan yang tinggi dengan perbandingan batas mulurnya bertahan sampai kira-kira 400^oC. Dilihat dari kekuatanya spesifiknya, paduan ini lebih baik pada daerah dengan temperatur tersebut dibandingkan dengan baja 4340 (Ni-Cr-Mo), baja tahan karan dan aluminium.

Seperti telah dikemukan diatas titanium memiliki kekuatan yang lebih baik dan ketahanan korosinya juga baik, tetapi harga material ini relatif mahal. Paduan titianium terutama hannya dipergunakan untuk pesawat terbang.

Tabel 14.4 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium β alloy

14.2.6 Titanium Aluminida

Kebanyakan aluminida dari Titanium memiliki struktur lamellar yang tersusun dari layer-layer dari suatu hexagonal Ti3Al α2 compound dan tetragonal TiAl atau γ Keuletan tarik kira-kira 4-6% pada temperature ambient. γ-aluminide cenderung untuk menjadi lebih ulet. Berat jenis kira-kira 4.5 g/ cm³ dan aluminium menyebabkan aluminida lebih tahan terhadap pembakaran. Alloy ini telah dipelajari secara khusus untuk komponen pesawat dan automotive turbocharger disebabkan alloy ini memiliki kekuatan yang tinggi, densitas yang rendah, dan ketahanan mulur. Fasa γ berbentuk bidang close packed yang pararel terhadap bidang basal dari α2:

Gbr.14.7 Tetragonal TiAl, γ 14.3. Proses Pembentukan Titanium

Kebanyakan titanium diproduksi secara mekanis oleh beberapa proses dibawah ini ; 14.3.1 Forging

Titanium alloy memiliki lebih tinggi aliran tegangan daripada Al alloy atau baja oleh sebab itu disaratkan untuk menerapkan tekanan tempa yang lebih tinggi kapasitasnya. Pada proses ini permukaan yang dihasilkan akan sangat ditentukan oleh kepresisian dari cetakan forging tersebut. Pada pengerjaan awal dilakukan pada temperature 150oC diatas temperature beta untuk kira-kira 28-38% regangan, tergantung pada type alloy dan heat treatmen yang telah dilakukan sebelumnya. Yang berikut proses deformasi dapat dilakukan pada daerah α +β.

14.3.2 Sheet and ring rolling

Lembaran titanium alloy biasanya dirol untuk menghindari oksidasi pada permukaan. Setelah dilakukan hot rolling, lembaran akan di ekstrak, diratakan untuk proses finising.Titanium alloy sebagai ring rolled untuk menghasilkan cylinder besar yang digunakan pada casing atau bejana bertekanan.

Gbr.14.8 Hot rolled Ti baja plat digunakan dalam kondensor di pembangkit tenaga dan ring titanium yang dirol berturut-turut