Apa itu Paduan Super (Superalloy)?

Dipublikasikan oleh Muhammad Ilham Maulana

20 Februari 2024, 11.31

Sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Turbinenschaufel_RB199.jpg

Paduan super atau paduan berkinerja tinggi (superalloy atau high-performance alloy) adalah paduan yang mampu beroperasi pada sebagian besar titik lelehnya. Sifat terpenting dari superalloy adalah kekuatan mekanik, ketahanan terhadap deformasi mulur termal, stabilitas permukaan, dan ketahanan terhadap korosi dan oksidasi. Struktur kristalnya biasanya austenit kubik berpusat muka (FCC). Contoh paduan tersebut termasuk paduan Hastelloy, Inconel, Waspaloy, Rene, Incoloy, MP98T, TMS dan paduan kristal tunggal CMSX.

Pengembangan superalloy didasarkan pada inovasi kimia dan proses. Superalloy mengembangkan kekuatan pada suhu tinggi melalui penguatan larutan padat dan penguatan presipitasi dari presipitasi fase sekunder seperti bilangan prima gamma dan karbida. Elemen yang memberikan ketahanan terhadap oksidasi atau korosi, seperti aluminium dan kromium. Superalloy sering kali dicetak sebagai kristal tunggal untuk menghilangkan batas butir, sehingga mengurangi ketahanan mulur (walaupun dapat memberikan kekuatan pada suhu rendah).

Aplikasi utama paduan tersebut adalah pada mesin turbin penerbangan dan kelautan. Aliran biasanya merupakan faktor yang membatasi umur sudu turbin gas. Superalloy telah memungkinkan banyak teknologi desain suhu ultra-tinggi.

Pengembangan kimia

Fokus utama dalam memilih paduan untuk aplikasi suhu tinggi adalah ketahanannya terhadap mulur dan oksidasi. Superalloy berbahan dasar nikel lebih disukai untuk tujuan ini karena endapan γ'nya yang unik. Paduan ini dapat dikustomisasi dengan memasukkan berbagai elemen, termasuk logam, metaloid, dan nonlogam, untuk mengoptimalkan sifatnya. Unsur-unsur seperti kromium, besi, kobalt, molibdenum, dan lainnya biasanya ditambahkan untuk mencapai peningkatan tertentu.

Resistensi mulur melibatkan penghambatan pergerakan dislokasi dalam struktur kristal. Dalam superalloy berbasis Ni modern, fase γ'-Ni3(Al,Ti) bertindak sebagai penghalang gerakan dislokasi. Penambahan aluminium dan titanium mendorong pembentukan fase γ' ini, yang berkontribusi pada kekuatan paduan karena strukturnya yang teratur dan koherensi yang kuat dengan matriks γ. Ukuran fase γ' dapat dikontrol melalui perlakuan panas yang tepat.

Untuk meningkatkan ketahanan oksidasi, unsur-unsur seperti aluminium, kromium, boron, dan yttrium dimasukkan. Aluminium dan kromium membentuk lapisan oksida yang melindungi permukaan paduan dari oksidasi lebih lanjut, sementara boron dan yttrium meningkatkan daya rekat kerak oksida ke substrat.

Elemen tertentu secara istimewa dipartisi ke dalam matriks γ atau endapan γ', yang berkontribusi terhadap penguatan larutan padat. Penguatan batas butir dicapai dengan unsur-unsur seperti boron dan zirkonium, yang terpisah berdasarkan batas butir, mengurangi energi batas butir serta meningkatkan kohesi dan keuletan. Penguatan batas butir juga dapat dilakukan melalui penambahan bahan pembentuk karbon dan karbida, seperti kromium, molibdenum, dan titanium. Hal ini mendorong pengendapan karbida pada batas butir, sehingga mengurangi geseran batas butir.

Proses paduan super

Superalloy telah berevolusi secara signifikan sejak tahun 1940-an, beralih dari paduan berbahan dasar besi ke paduan berbahan dasar kobalt, berkat kemajuan seperti pengecoran investasi. Perkembangan peleburan vakum pada tahun 1950an merevolusi teknik pemrosesan, memungkinkan kontrol yang baik terhadap komposisi kimia dan mengurangi kontaminasi.

Berbagai metode pengolahan digunakan berdasarkan sifat yang diinginkan. Pengecoran dan penempaan menghasilkan produk polikristalin dan monokristalin, dengan cetakan polikristalin menawarkan ketahanan patah yang lebih tinggi dan cetakan monokristalin menawarkan ketahanan mulur yang unggul. Pengecoran investasi melibatkan pembuatan bentuk lilin sebagai cetakan cetakan keramik, yang kemudian diisi dengan logam cair. Ini menghasilkan produk akhir polikristalin tanpa orientasi butir yang diinginkan.

Solidifikasi terarah menggunakan gradien termal untuk mendorong pertumbuhan butir sepanjang arah tertentu, sehingga meningkatkan ketahanan mulur. Pertumbuhan kristal tunggal dimulai dengan kristal benih dan melibatkan proses yang panjang seperti pemesinan. Metalurgi serbuk membentuk logam menjadi bentuk yang diinginkan dengan memanaskan logam bubuk di bawah titik leleh, memfasilitasi paduan mekanis untuk penguatan.

Sintering dan pengepresan isostatik panas memadatkan material menjadi benda padat, yang terakhir memampatkan material ke segala arah dalam atmosfer inert. Manufaktur aditif, seperti peleburan laser selektif, menciptakan bentuk detail dari file CAD dengan menyintering irisan bubuk logam lapis demi lapis. Perlakuan panas atau pengepresan isostatik panas dapat dilakukan untuk mengurangi porositas.

Disadur dari: https://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy