FENOMENA MULUR

FENOMENA MULUR

1. PendahuluanCreep adalah deformasi plastis yang berjalan tergantung dengan waktu. Parameter yang digunakan untuk fenomena mulur / creep adalah tegangan (), Temperatur (T), dan waktu (t). Untuk mengetahui tentang laju creep pada material di lakukan creep test, dimana material diberi pembebanan konstan dalam jangka waktu yang lama yang kemudian hasilnya diplot dalam bentuk kurva uji creep

bentuk kurva creep pada tiga daerah

Terdapat tiga daerah creep yaitu, daerah I merupakan daerah dimana laju creep tinggi , daerah II disebut juga daerah steady state yang menunjukkan daerah stabil dan merupakan daerah keseimbangan terjadinya proses pengerasan dan pelunakan material (kurva berbentuk linier), daerah III merupakan daerah tertier yaitu daerah dimana material mulai mengalami rupture atau dalam keadaan tidak aman.Dari creep test didapat kurva creep pada pembebanan dan tegangan konstan sebagai berikut:

kurva creep dengan pembebanan dan tegangan konstan

Kurva diatas didapat dari creep test yang memiliki kelemahan dalam pengerjaannya yaitu waktu yang lama (±10000 jam), beban rendah, sulit mendapatkan kurvanya karena tiap kali pengecilan penampang perlu penurunan tegangan. Untuk itu agar creep lebih mudah di amati maka dilakukan creep rupture test yang menggunakan beban yang besar dan waktu yang singkat.

2. Peta Mekanisme CreepCreep dapat dipetakan menjadi beberapa bagian pada daerah

homologous temperature sebagai berikut:

Peta mekanisme creep

a. Difusional creep (Nabarro-herring creep) adalah daerah creep yang di control oleh tegangan dan difusi atom. Pada difusional creep terjadi migrasi vacancy dan atom kearah berlawanan sesuai perubahan bentuk benda kerja akibat deformasi sehingga benda kerja menjadi memanjang.

b. Coble creep adalah daerah creep yang menunjukkan adanya creep akibat difusi atom tetapi peristiwa ini lebih sensitive dibandingkan nabarro-hering creep (ukuran butir lebih halus).

c. Dislocation creep adalah daerah dimana creep terjadi pada temperature yang lebih tinggi 0.5Tm.

d. Dislocation glide adalah daerah creep yang dipengaruhi oleh aktivasi termal pada tegangan tinggi.

Untuk menentukan laju creep dan umur benda kerja biasanya di gunakan metode Larson-Miller dengan menggunakan persamaan berikut:

H / R = T (C + log t)Dimana:H = energi aktivasi creepR = konstanta gasC = konstanta Larson-MillerT = Temperaturt = rupture life

Dari perhitungan tersebut kemudian di plot dalam bentuk diagram Larson Miller sehingga di dapat umur material berdasarkan tegangan kerja yang di terima material.

Contoh kurva Larson- Miller untuk paduan Besi S 590

3. Coarsening ParticleBentuk struktur mikro pada dua fasa paduan selalu tidak stabil, oleh karena itu partikel kecil yang memiliki massa jenis yang besar dapat berubah menjadi partikel pengasar (coarsening particle / presipitat kedua) yang memiliki massa jenis yang rendah tetapi berukuran lebih besar. Partikel pengasar atau presipitat kedua seringkali menimbulkan degradasi sifat material seperti penurunan kekuatan dan tidak tampaknya effect batas butir. Dengan meningkatnya temperature maka butir akan semakin tumbuh dan presipitat kedua juga semakin meningkat. Hal inilah yang perlu diperhatikan pada desain material yang digunakan temperature tinggi.

Pada material dengan perlakuan presipation hardening akan selalu ada jarak antar partikel berdasarkan perbedaan waktu pembentukan inti dan angka pertumbuhannya. Pertumbuhan presipitat kedua dapat di rumuskan:

Dimana D adalah koefisien difusi, adalah energi antar permukaan, dan Xc

adalah kemampuan pembentukan padatan pada keadaan setimbang dari partikel yang sangat besar. D dan Xc meningkat seiring dengan peningkatan temperature, sehingga laju pertumbuhan presipitat kedua juga meningkat cepat seiring dengan peningkatan temperature. Pada intinya paduan yang kekuatannya bergantung pada presipitat harus memiliki nilai , Xc, atau D yang rendah. Berikut tinjauan masing-masing hal tersebut:

a. rendahDiharapkan paduan memiliki perbedaan presipitat dan matrix berkisar antara 0 – 0.2% saja karena dengan prosentase tersebut laju umur creep dapat ditingkatkan 50x dengan pengontrolan komposisi yang ketat. Alasannya adalah bahwa selama deformasi creep, partikel dengan beda prosentase rendah akan menurunkan sehingga menurunkan laju pertumbuhan presipitat kedua.

b. Xc rendahKekuatan yang tinggi pada temperature tinggi dapat diperoleh dari disperse oksida pada matriks logam. Sebagai contoh W dan Ni dapat di perkuat dengan pemberian oksida thoria (ThO2). Pada umumnya oksida sangat bergabung dengan logam dan stabilitas struktur mikro oksida pada temperature tinggi dapat di tingkatkan dengan rendahnya nilai Xc.

c. D rendahJika terdapat difusi atom seperti adanya interstisi atom karbon, maka pertumbuhan presipitat kedua dapat di batasi, sehingga laju umur creep dapat ditingkatkan.

Pada intinya logam untuk temperature tinggi memiliki resiko untuk creep dan korosi. Fenomena creep yang utama adalah difusi creep dan dislokasi creep. Untuk menghindari terjadinya difusi creep di pilih logam yang laju difusinya

rendah (material FCC) misalnya Ni dan Co. Pada prosesnya di lakukan perlakuan untuk memperbesar ukuran butir dan mengatur besar butir dan jika dimungkinkan menggunakan single crystal. Sedangkan untuk menghindari dislokasi creep di gunakan material dengan presipitat yang dapat menghambat gerakan dislokasi,sehingga dilakukan proses precipitation hardening (menghasilkan presipitat) atau dispersion hardening (menghasilkan fasa dispersi). Korosi temperature tinggi dapat dihindari dengan menambahkan chrom dalam jumlah besar

4. Future SuperalloysPaduan super (superalloys) mulai dikembangkan sejak;a. Dibutuhkannya lapisan pembatas panas untuk paduan khusus/

penggunaan khususb. Kontrol pertumbuhan butir pada proses cor dan tuang untuk pembuatan

sudu turbin c. Beberapa paduan yang dibutuhkan untuk diproduksi sebagai kristal

tunggal pada proses cor.d. Perkembangan proses cor volume tinggi untuk pembentukan paduan

super pada roda turbochargere. AMS spesifikasi untuk mengontrol elemen-elemen berat.

Pada beberapa penggunaan digunakan keramik, eutectic alloys, dan refractory alloys. Yang paling banyak digunakan adalah keramik karena eutectic alloys masih terlalu mahal.

Penggunaan paduan super banyak digunakan untuk turbin pada pesawat dan helicopter. Beberapa penggunaan turbin lainnya pada auxillary power unit (APU), mesin peluncur rudal (missile engine), turbosupercharger pada truk dan industri otomotif.

Turbin untuk industri berat diharapkan memiliki umur yang panjang lebih dari 100000 jam dengan ketahanan korosi yang tinggi seperti pada daerah lepas pantai, bersama dengan turbin uap pada langkah gabungan, gas akan meningkatkan efisiensi thermal pada pusat energi listrik.

Auxillary power unit (APU) banyak digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik dan kompresi udara pada pesawat dan AC. Keduanya memerlukan umur APU yang panjang dan kemampuan yang tinggi untuk dioperasikan pada logam temperature rendah.

Mesin peluncur rudal (missile engine) memerlukan criteria yang lebih kompleks yaitu umur yang panjang dan kemampuan yang tinggi.

Karena banyaknya penggunaan turbin baik pada langkah kerja maupun lingkungan operasional, jenis turbin gas disesuaikan sesuai dengan penggunaannya pada komponen paduan super. Pemilihan penggunaan jenis turbin tergantung juga pada ketahanan creep maksimum, ketahanan maksimum oksidasi, ketahanan maksimum korosi, umur stabilitas yang lama, umur langkah kerja maksimum, kekuatan tarik yang tinggi, angka laju retakan yang rendah, harga komponen yang rendah, ketahanan maksimum terhadap fatique.

Perkembangan Paduan

Perkembangan paduan dapat dilihat dari dua grafik berikut:

Gambar diatas menerangkan perkembangan paduan super untuk tempa dan tuang yang digunakan untuk turbin dan fan. Antara tahun 1940-1970 kemampuan paduan pada temperature mengalami kemajuan sekitar 100C/tahun, hingga diatas garis asimtot pada policristalin paduan super. Gambar 1 tersebut juga menerangkan sejak awal 1960 dua jenis material untuk sudu dan fan sudah tersedia. Paduan di grafik bagian atas menerangkan paduan dengan maximum stress rupture tetapi pada umumnya ketahanan terhadap korosinya rendah, sedangkan pada grafik bagian bawah menerangkan paduan dengan ketahanan korosi yang tinggi dengan kekuatan yang rendah. Keduanya mengalami perkembangan dengan ditambahkannya chrom pada tingkat rendah sebesar 8-12% atau untuk ketahanan korosi yang baik ditambahkan chrom dengan kadar tinggi sebesar 14-16%.

Gambar 2 diatas menerangkan cara lain dalam melihat perkembangan paduan selain dengan gambar 1. Ada tiga daerah, pada awal tahun terbentuk paduan yang sifatnya buruk dan dapat diproduksi dengan mencairkannya di udara, daerah kedua adalah paduan yang lebih kuat terbuat dari pencairan vacuum pada tahun 1970, dan daerah ketiga adalah paduan tinggi yang memiliki anisotropi makrostruktur dan sifat.

Ultraclean MetalHal utama dalam lempeng paduan adalah memproduksinya dalam bentuk

material yang bersih dan memprosesnya menjadi bagian-bagian yang memiliki mikrostruktur yang seragam, kekuatan tarik yang tinggi, ketahanan siklus fatique yang rendah, dan ketahanan terhadap pertumbuhan retakan. Penggunaan ultra high powder metallurgy lempeng paduan seperti rene 95 dan gatorized IN-100 adalah contoh untuk meminimalisasi ukuran cacat yang besar yang timbul pada proses finishing berdasarkan pertumbuhan retak jika paduan digunakan pada tingkat tegangan yang tinggi. Proses yang lebih maju lagi adalah penggunaan electron beam cold-hearth refining (EBHCR), proses ini untuk memproduksi paduan super kualitas tinggi. Termasuk juga proses Electroslag remelting (ESR) dan plasma arc yang digunakan untuk meningkatkan kebersihan proses kimia untuk paduan super. Ketiga proses diatas digunakan bersamaan dengan proses vacuum induction melting (VIM) untuk efek pencairan utama.

Cobalt pada Paduan SuperPenelitian menemukan bahwa paduan utama nikel terdapat cobalt yang

dibutuhkan untuk memaksimumkan sifat mekanik dan produktifitas paduan. Pada coran kristal tunggal juga ditemukan bahwa 5% cobalt dibutuhkan untuk mencegah formasi fasa µ pada paduan kristal tunggal secara kimiawi dengan

modifikasi MAR-M 247. Setengah dari 5% cobalt di gunakan dalam produksi turbin dan paduan airfoil.

Paduan Utama CobaltPaduan utama cobalt terutama digunakan untuk turbin dimana paduan

memiliki kemampuan las yang tinggi untuk komponen-komponen yang dapat diperbaiki. Bagaimanapun juga 10 tahun yang lalu penggunaan paduan cobalt utama untuk cpmbustor liner pada semua jenis mesin baru lebih banyak digunakan dibandingkan paduan utama nikel.

Paduan ODSPaduan oxide dispersion strengthened (ODS) mulai berkembang sebagai

jenis paduan untuk pembuatan turbin dan bersaing dengan penerapan kristal tunggal. Seperti contoh penggunaan MA 754 yang berkembang seiring waktu berkembangnya ODS untuk idustri turbin dan sudu karena mekanisme strengthening yang pada intinya menyempurnakan jenis paduan super.

Pelapisan dan Perkembangan Lapisan PaduanMeningkatnya temperature kerja yang diterima oleh turbin dan sudu yang

terbuat dari paduan dengan chrom rendah pada akhirnya membutuhkan pelapisan untuk meningkatkan kemampuan oksidasi dan ketahanan korosi suhu tinggi. Proses pelapisan overlay didesain untuk memaksimumkan stabilitas difusi dengan subtrate paduan dan meminimumkan perbedaan koefisien termal pelapis dan paduan. Proses pelapisan overlay dilakukan dengan cara plasma spraying metal powder atau electron beam physical vapor deposition processes. Satu bentuk komposisi proses pelapisan overlay adalah Ni 23%, Co 20%, Cr 8.5%, Al 4%, Ta 0.04%.

Perkembangan ProsesPeningkatan kemampuan paduan super dapat dilakukan dengan

melakukan suatu proses yang menghasilkan mikrostruktur yang unik, baik pada arah lurus alami untuk turbin dan sudu maupun isotropi untuk lempengan turbin.

Lempengan turbin untuk mesin pesawat diproduksi dengan teknologi proses total yang memaksimumkan isotropy dengan cara pengontrolan keseragaman ukuran butir. Proses lain adalah meningkatkan bentuk butir yang baik untuk roda turbin integral pada mesin sederhana dengan cara fine grain casting.

Paduan multi terbuat dari HIP difusi yang cukup baik untuk teknologi masa depan. Proses ini banyak digunakan untuk turbin pada mesin-mesin sederhana tetapi tetap dipelajari penggunaannya untuk turbin pada pesawat dan sudu-sudu dengan satu paduan. Hal ini juga menunjukkan bahwa perkembangan teknologi

proses dapat mengembangkan jenis paduan super dalam berbagi bentuk dan ukuran.

Sistem Perbandingan MaterialPrinsip sistem perbandingan material adalah mencakup paduan

intermetallic, Karbon-Karbon, komposit logam-matrik, logam refractory, dan keramik.

Paduan IntermetallicPada beberapa tahun yang lalu system paduan didasarkan pada paduan

intermetallic Ti3Al15, Sistem TiAl, dan Ni3Al16. Ti3Al dan TiAl secara potensial dibandingkan dengan paduan super pada suhu 6000C – 8150C dan Ni3Al pada suhu 11000C. Dari perbandingan itu menunjukkan bahwa material teknik untuk spectrum yang luas pada turbin gas akan dikembangkan dari system Ti3Al.

Karbon-KarbonMaterial komposit dari serat karbon di infiltrasi dengan jenis material

carbon lainnya dan kemudian dikenal dengan karbon-karbon. Bentuk karbon-karbon yang dilapisi dengan SiC dan infiltrasi serat gelas berhasil digunakan sebagai bahan pembuatan ujung hidung dan sudu turbin pada pesawat luar angkasa NASA. Penggunaan karbon-karbon yang dilapisi untuk turbin gas sangat berguna bagi industri militer.

Logam RefraktoriLogam refractori yang memiliki teknik paduan yang banyak digunakan

adalah molybdenum, tungsten, tantalum, dan columbium. Kemajuan pesat pada jenis paduan ini adalah pada tahun 1950-1965. selama tahun tersebut teknik paduan untuk molybdenum, columbium, dan tantalum banyak dikembangkan. Teknik paduan untuk tantalum dan columbium dapat berupa aplikasi baik solid maupun liquid untuk penggerak mesin roket.

Penggunaan pertama paduan columbium adalah pada turbin gas untuk penggunaan mesin militer, yang berhasil menggunakan pelapisan paduan columbium untuk katup buang pada sayap selama beberapa tahun.

Percobaan penggunaan pelapisan silicide pada sudu turbin dengan bahan molybdenum berhasil menjalankan turbojet kecil pada mesin percobaan oleh William International selama 7 jam pada keadaan maksimum temperature (13430C). Paduan molybdenum juga digunakan untuk aplikasi pada temperature tinggi seperti pada vacuum furnace.

Paduan tantalum dan tungsten tidak ditemukan penggunaannya pada gas turbin, hal ini dikarenakan adalanya masalah oksidasi yang berpasangan dengan besarnya massa jenis dan biaya produksi yang tinggi.

KeramikMempertimbangkan perkembangan manufaktur, desain dan percobaan

mengenai komponen turbin gas yang terbuat dari keramik SiC dan Si3N4 telah

dilakukan oleh negara-negara Eropa, Amerika, dan Jepang. Hampir seluruh perkembangannya mendapatkan dukungan dari pemerintah. Dua diantaranya adalah AGT 100 oleh Detroit Diesel Alisson dan AGT 101 oleh Garret Ford Partnership. Keduanya mengidentifikasi kekurangan teknologi keramik sehingga pemerintah dapat meneliti dan memajukan teknologi keramik. Keramik terbaik yang pernah ada adalah yang dapat beroperasi pada temperature 13710C (jauh diatas kemampuan paduan super). Beberapa penelitian sedang dilakukan untuk mengembangkan ceramic-composite yang menghasilkan pseudo plasticity pada kegagalan (failure) dan kemungkinan dapat memajukan kegunaan dari keramik. Keramik dapat dijadikan sebagai pesaing utama bagi paduan super mengingat penggunaannya yang makin pesat pada mesin peluncur rudal dan mesin-mesin sederhana.