Titanium

Sejarah Ringkas

Titanium tersebar dengan kandungan 0.6 % di kerak bumi, dan merupakan logam terbanyak yang ada di bumi setelah aluminium, besi, dan magnesium.

Titanium pertama kali ditemukan pada 1791 di Cornwall (Inggris) oleh Gregor, seorang pendeta dan ahli mineral amatir, sebagai pasir besi magnetik (ilmenite), yaitu  suatu unsur tidak diketahui yang muncul di kegelapan. Pada 1795, Klaproth, seorang ahli kimia dari Jerman, menganalisa unsur yang sama dengan yang dilaporkan oleh Gregor. Klaproth kemudian menamakan unsur tersebut sebagai “titanium”, sama dengan Titans, anak yang sangat kuat dari dewa langit dan bumi pada mitologi Yunani.

Titanium tidak diproduksi sebagai logam metalik hingga 1910, karena selama bertahun-tahun unsur ini sangat sulit dipisahkan dari bijihnya. Memasuki abad ke 20 (1937-1940), Dr. Wilhelm Krolldi Luxemburg  mengembangkan proses untuk menghasilkan titanium komersial. Proses ini mengurangi titanium tetrachloride (TiCl4) dengan magnesium pada lapisan udara gas inert. Titanium yang dihasilkan dinamakan “titanium sponge” karena dapat menyerap dan berpori-pori. Proses ini digunakan sampai saat ini.

Pemakaian Titanium

Paduan titanium biasanya digunakan karena tiga alasan, yaitu

1. Memiliki specific strength yang tinggai, yaitu perbandingan kekuatan dengan massa jenisnya. Pada kekuatan yang sama, titanium lebih ringan dari baja.

2. Memiliki ketahanan korosi yang baik

3. Strukturnya stabil pada temperatur tinggi sehingga memiliki ketahanan panas yang baik

Dua penggunaaan titanium pada bidang aerospace umumnya sebagai airframes dan aero-engines (mesin pesawat terbang). Kira-kira 10% dari airframe Boeing 777 adalah paduan titanium Ti-6Al-4V. Dan  Ti-10-2-3 digunakan pada landing gear. Penggunaan titanium pada pesawat Airbus antara 4-5%.

Pada aero-engines modern,  titanium digunakan pada fan, bagian cakram dan bilah pada kompressor yang beroperasi pada temperature diatas 500 C. Titanium juga digunakan pada struktur bangunan lepas pantai, yaitu sebagai drilling riser string karena kekuatannya tinggi, densitas rendah, modulus rendah (flexibilitas tinggi), sangat tahan korosi dan akibat air laut, dan ketahanan lelah tinggi. Titanium juga digunakan pada bangunan seperti dinding exterior dan bahan atap. Selain itu aplikasi titanium dapat ditemukan dalam produk-produk seperti kamera,jam tangan, perhiasan, panggung pertunjukkan, dan alat-alat olahraga.

Titanium vanadium Ti-6Al-7Nb dan Ti-5Al-2.5Fe digunakan sebagai bahan implant, karena tidak menimbulkan racun terhadap tubuh.

Paduan titanium digunakan pada industry mesin yaitu produk-produk automobile seperti katup, pegas katup, batang penghubung mesin, pegas supensi, exhaust system, dll.

Struktur Titanium (Sel Satuan, allotropy)

Titanium bersifat allotropy, yaitu memiliki dua struktur kristal yang berbeda pada temperature yang berbeda.

·   Pada temperature ruang, titanium murni memiliki struktur kristal hexagonal closed packed (HCP). Struktur ini disebut fasa alpha, dan stabil sampai temperature 1620oF (882oC) sebelum struktur kirstalnya berubah.

·   Pada temperature yang lebih tinggi, struktur kristal berubah menjadi body centered cubic (BCC). Struktur ini disebut fasa beta. Temperature transisi dari alpha menjadi beta disebut beta transus. Fasa alpha beta dari 1620 F sampai titik leleh (3130 F).

Pada paduan titanium, unsur yang ditambahkan cenderung menubah jumlah fasa yang ada dan temperatur beta transus. Unsur-unsur yang menaikkan temperatur beta transus dengan menstabilkan fasa alpha disebut alpha stabilizer, yaitu aluminium, oksigen, nitrogen, dan karbon. Unsur-unsur yang menurunkan temperatur beta transus disebut beta stabilizer. Beta stabilizer dibagi menjadi dua, yaitu unsur beta isomorphous (kelarutan tinggi dalam titanium, termasuk molybdenum, vanadium, niobium, tantalum) dan beta eutectoid (kelarutan terbatas, termasuk silicon, kobalt, besi, nikel, tembaga, kromium).

Klasifikasi Titanium

Paduan titanium diklasifikasikan berdasarkan jumlah alpha dan beta pada strukturnya ditemperatur ruang.

1. Alpha alloys
Alpha alloys adalah titanium murni yang diperkuat dengan solid solution strengthening dengan unsure penambah seperti aluminium (5-6%), tin, nikel, dan tembaga. Alpha tidak mengandung beta pada temperature ruang. Alpha alloys kurang ductile dan lebih sulit dibentuk, karena terbatasnya slyp system pada HCP, tidak dapat di-heat treatment, dapat dilas, memiliki kekuatan sedang, derajat kekerasan bagus, dan sangat stabil pada temperature diatas 540oC (1000oF).

2. Beta alloys
Beta alloys dihasilkan dengan menambahkan sejumlah besar beta stabilizer seperti MO dan V, untuk membuat fasa beta stabil pada temperatur ruang. Beta alloys memiliki ductility bagus, dan mudah dibentuk ketika tidak di-heat treatment, dapat dilas, dan sangat stabil pada temperatur di atas 315oC (600oF). Beberapa dapat di-age hardening untuk menyebabkan precipitation fasa alpha atau senyawa intermetalik, dan menghasilkan kekuatan yang sangat tinggi namun ductility dan kekerasan berkurang. Beta alloys memiliki komposisi 13% vanadium, 11% chromium, dan 3% aluminium.

3. Alpha-Beta alloys
Alpha-beta alloys adalah paduan titanium yang strukturnya mengandung sebagian alpha dan sebagian beta pada temperature ruang. Alpha-beta alloys memiliki sifat mekanik yang sangat seimbang, dan yang paling sering digunakan, ada yang dapat dilas dan tidak, ketahanan korosinya sangat tinggi pada temperature ruang, lebih mudah dibentuk, dan sangat stabil sampai temperatur 425oC (800oF). Unsur-unsur beta stabilizer seperti molybdenum, vanadium, columbium, dan tantalum ketika ditambahkan ke titanium murni cenderung menaikkan fasa beta pada temperatur ruang. Sedangkan unsur alpha stabilizer akan menaikkan fasa alpha. Salah satu paduan titanium seperti TI-6Al-4V yang mengandung 6% aluminium dan 4% vanadium memiliki struktur 2 fasa, yaitu setengah alpha dan setengah beta pada temperature ruang, aluminium menstabilkan fasa alpha dan vanadium menstabilkan fasa beta. Ketika paduan ini dipanaskan sampai pada temperatur 1725oF (955oC), paduan bertansformasi semua menjadi struktur beta. Ketika di-water quench sampai temperatur ruang, fasa beta akan seimbang, paduan ingin bertransformasi menjadi fasa alpa namun dicegah dengan water quench. Proses ini disebut solution treating, dan paduan memiliki kekuatan tinggi pada kondisi ini, namun kekerasan dan kekuatan dapat lebih ditingkatkan dengan aging selama 4 jam pada 1000oF (539oC). saat aging, dipisahkan bagian precipitate fasa alpha dengan fasa beta yang seimbang. Dengan demikian, alpha-beta alloys adalah paduan hasil precipitation hardening. Ada beragam paduan alpha-beta dengan kekuatan yang berbeda dan dengan mekanisme precipitation hardening precipitation hardening yang berbeda, namun 6Al-4V adalah yang paling penting.

4. Near alpha alloys
Near alpha alloys adalah paduan titanium yang mengandung banyak alpha dengan sedikit beta, dan beberapa fasa beta tersebar di semua susunan alpha. Secara umum mengandung 5-8% aluminium, beberapa zirconium, dan timah bersama dengan beberapa unsur-unsur beta stabilizer. Paduan ini memiliki kekuatan pada temperature tinggi, dan ketahanan creep yang sangat bagus sehingga paduan ini digunakan pada temperature tinggi. Penambahan silicon 0.1-0.25% meningkatkan ketahanan creep. Near-alpha alloys pada temperature tinggi termasuk Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.25Si) dan IMI 829 (Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Si) yang dapat digunakan sampai 1000oF, dan IMI 834 (Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si) dan Ti-1100 (Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si) adalah modifikasi dari Ti-6242S yang dapat digunakan sampai 1100oF.

5. Near-beta alloys
Near beta alloys adalah paduan titanium yang mengandung banyak beta dengan sedikit alpha.

Penamaan Titanium

Penamaan titanium didasarkan pada komposisi paduannya.

Ti-Xxx-Xxx-Xxx

Dimana :
X adalah persentase paduan
Xx adalah unsure pemadunya
Contoh : Ti-6Al-4V = 6 % aluminium, 4% vanadium, dan sisa Ti.

Perlakuan Panas

Paduan titanium dapat diberi perlakuan panas seperti stress relieving, annealing, dan solution treating and aging (STA). Semua paduan titanium dapat di-stress relieved dan annealing, tetapi hanya alpha-beta dan beta yang dapat di-STA untuk meningkatkan kekuatannya. Karena alpha dan near-alpha tidak mengalami perubahan fasa selama proses, paduan ini tidak dapat diperkuat dengan STA. Karena  respon STA ditentukan dengan jumlah fasa beta, paduan beta dengan persentase fasa beta yang lebih tinggi dapat diberikan perlakuan panas untuk meningkatkan kekuatannya daripada alpha-beta alloys. Sebagai tambahan, beta alloys dapat diperkuat lebih lanjut untuk menebalkan bagian dari pada alpha-beta alloys.

Kerugian dari heat treatment paduan aluminium adalah kurangnya metode uji nondestructive untuk menentukan respon terhadap heat treatment yang seseungguhnya. Sementara uji kekerasan dapat dilakukan pada paduan baja, dan kombinasi uji kekerasan dan konduktivitas dapat dilakukan pada paduan aluminium, tidak ada metode yang sama untuk titanium. Oleh karena itu, jika verifikasi dibutuhkan, uji sifat mekanik dapat diberlakukan untuk menentukan respon terhadap perlakuan panas.

1. Stress relieved
Stress relieved digunakan untuk menghilangkan tegangan sisa akibat mechanical working, welding, cooling of casting, machining, dan heat treatment. Semua paduan titanium dapat di­-stress relieved tanpa merubah kekuatan dan ductility. Seperti proses panas yang lainnya, kombinasi waktu dan temperature mempengaruhi kualitasnya. Sementara laju pendinginan tidak penting, keseragaman pendinginan sangat penting, apalagi pada suhu 600-9000F. temperature stress relieved untuk near-alpha dan alpha-beta alloys pada 850-1500oF.  Contohnya, Ti-6-4 di-stress relieved pada 1000-1200oF dengan lamanya tergantung pada temperature dan persentase stress-relieved yang diinginkan. Setelah 8 jam, 1000, 1100, dan 1200oF akan menghasilkan 55,75 dan 100% stress relieved. Selama stress relieved pada bagian STA, harus dijaga untuk mencegah overaging yang menurunkan level kekuatan.

2. Annealing
Annealing adalah heat treatment yang dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi untuk menghilangkan hampir semua tegangan yang tersisa. Proses annealing pada paduan titanium antara lain mill annealing, duplex annealing, recrystallization annealing, dan beta annealing.

Sesuai dengan namanya, mill annealing dilakukan dalam penggilingan. Proses ini bukan anneal sepenuhnya  dan dapat meninggalkan bekas dari cold atau warm working pada struktur mikro hasil kerja berat, khususnya bentuk lembaran. Untuk near-alpha dan alpha-beta alloys, mill annealing dapat dicapai dengan pemanasan sampai 1300-1440oF dan ditahan sampai minimal 1 jam. Beta alloys tidak dapat di-mill  annealed karena kondisi ini tidak stabil pada temperatur tinggi  dan dapat mencair menjadi precipitate dari fasa getas.

Duplex annealing dapat digunakan untuk menghasilkan ketahanan retak yang lebih baik untuk paduan pada temperature tinggi, seperti Ti-6242S. duplex annealing adalah proses dengan dua langkah annealing yang dimulai dengan anneal tinggi pada alpha+beta diikuti dengan air cooling. Anneal kedua dilakukan pada temperatur yang lebih rendah untuk menghasilkan panas secara stabil, dan diikiuti dengan air cooling lagi.

Recrystallization annealing dilakukan untuk menaikkan ketahanan patah. Bagian dipanaskan sampai daerah di atas alpha+beta, ditahan selama beberapa waktu dankemudian didinginkan pelan-pelan.

beta ennealing dilakukan dengan annealing pada temperatur di atas beta transus diikuti dengan air cooling  atau water quenching untuk menghindari pembentukan batas butir alpha. Perlakuan ini memaksimalkan kekerasan tetapi menurunkan ketahanan lelah.

Kesimpulan dari prosedur-prosedur annealing yang berbeda ini dan efeknya pada sifat ditunjukkan dalam table. Dengan penggunaan yang tepat, proses seperti straightening, sizing, dan flattening dapat dikombinasikan dengan annealing. Kenaikan temperature alpha-beta alloys secara stabil ditingkatkan dengan annealing, karena fasa beta distabilkan.

3. Solution treating and aging
Tujuannya untuk mengubah fasa alpha menjadi beta dan kemudian didinginkan secara cepat, cukup untuk mempertahankan fasa beta di suhu ruang. Saat aging alpha membentuk precipitate dari beta  yang dipertahankan. STA digunakan oleh alpha-beta dan paduan beta untuk mendapatkan level kekuatan yang lebih tinggi dari yang dapat dihasilkan dari annealing. Solution treating terdiri dari pemanasan dalam dua fasa alpha+beta yang diikuti quenching. Solution treatment untuk paduan alpha-beta dipanaskan dibawah beta transus untuk mendapatkan kekuatan maksimum dengan ductilitas yang cukupdibutuhkan solution treatment pada 150oF pada beta transus. Saat paduan alpha beta diberi solution treat, ratio dari fasa beta ke fasa alpha akan naik dan diatur saat quenching. Saat  aging beta tertahan yang tidak stabil berubah menjadi fasa alpha yang kekuatannya menigkat. Level pendingingan setelah solution heat treatment mempunyai efek penting pada kekuatan paduan alpha-beta. Untuk sebagian paduan alpha-beta, quenching dalam air atau quenching lain yang sama diperlukan untuk meningkatkan level kekuatan. Waktu antara memindahkan dari pemanas dan permulaan quench biasnaya sekitar 7 detik untuk paduan alpha-beta dan 20 detik untuk paduan beta. Untuk beberapa paduan pendinginan dengan udara dan kipas biasanya cukup karena tergantung dari jumlah dan tipe penstabil beta. Paduan mengandung beta stabilizer paduan tidak akan mengeras melalui sisi ketebalan dan akan menunjukkan sifat-sifat yang lebih rendah di pusat dimana level pendinginannnya menurun. Solution treatment untuk paduan logam dilakukan di atas beta transus. Paduan beta komersial biasanya disuplai dalam kondisi solution treat dengan struktur beta yang 100%. Untuk menghasilkan kemampuan untuk dibentuk yang maksimum dan hanya butuh di-aging untuk mendapatkan efek kekuatan yang tinggi. Setelah pembentukan, bagian tersebut di-aging untuk menyediakan kekuatan maksimum. Paduan dari proses beta telah meningkatkan ketahanan patah kekuatan yang lebih baik dan lebiih resisten terhadap SCC tetapi ada sedikit kehilangan duktilitas dan ketahan lelah. Paduan beta bisanya didinginkan dengan udara dari temperatur solution treatment. Walaupun ada lapisan tipis yang dapat digunakan untuk melindungi paduan titanium saat perlakuan panas dari oksigen, hydrogen, dan nitrogen, cara terbaik adalah diberi perlakuan panas dalam pemanas vakum. Sebelum perlakuan panas, penting bahwa permukaan bersih dan bebas dari segala kontaminasi organic termasuk sidik jari. Setelah perlakuan panas, beberapa alpha case harus dipindahkan dari permukaan baik dengan mesin atau penggilingan secara kimia.

Referensi :

1. Metallurgy fir the Non Metallurgist, Harry Chandler
2. Titanium, Gerd Lutjering
3. Engineering Materials Properties and Selection, Kenneth G. Budinski
4. Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, F.C. Campbell

Most Commented Posts

• Rumus gunbound, boomer
• Roket Gula dan KNO3
• Rumus gunbound, Ice & Aduka
• About Silurs