Komposit Aluminium untuk Aplikasi Tegangan Tinggi

1.   Pendahuluan

Aluminium matrix composite (AMC) merupakan salah satu material yang memiliki potensi besar karena kombinasi sifat-sifatnya yang baik, seperti kekuatan yang tinggi, densitas yang rendah, daya tahan yang baik, mampu di-machining, ketersediaan bahan baku yang berlimpah dan harga yang bersaing dengan material lain. Pada aplikasinya, AMC telah banyak digunakan di bidang otomotif, pertambangan, penerbangan, pertahanan dan lain sebagainya. Material AMC pada beberapa komponen dituntut untuk mampu diaplikasikan pada tegangan tinggi, contohnya seperti di bidang otomotif yaitu sebagai komponen drive shaft dan piston, bidang penerbangan yaitu sebagai baling-baling helikopter dan bidang pertahanan yaitu sebagai track shoes dari tank. Keunggulan dan kelemahan secara umum dari AMC apabila dibandingkan dengan material lain yaitu seperti tertera pada tabel 1.

Tabel 1. Keunggulan dan kelemahan AMC dibandingkan dengan material lain

Selain aluminium yang berperan sebagai matriks, unsur atau senyawa utama dalam AMC adalah penguatnya. Sifat-sifat AMC sangat bergantung kepada jenis penguat dan juga fraksi volumenya. Penguat yang banyak digunakan pada AMC biasanya adalah unsur non-metallic dan lebih spesifiknya adalah keramik seperti SiC dan Al₂O₃. Adapun penguat dari AMC lainnya yaitu seperti ditunjukkan pada tabel 2.

 Tabel 2. Penguat pada AMC

 

2.   Jenis-jenis AMC

AMC dapat diklasifikasikan menjadi empat jenis berdasarkan bentuk penguatnya, yaitu:

(a) Particle reinforced AMC (PAMC)

(b) Short fibre reinforced AMC (SFAMC)

(c) Continuous fibre reinforced AMC (CFAMC)

(d) Mono filament reinforced AMC (MFAMC)

 

Gambar 1. Bentuk penguat pada AMC

Beberapa keutamaan dari tiga jenis AMC tersebut adalah sebagai berikut:

(a)   Particle reinforced AMC (PAMC)

Komposit ini umumnya berpenguat equiaxed ceramic, yang biasanya adalah oksida, karbida atau borid (Al₂O₃, SiC atau TiB₂). Pada aplikasi yang berkaitan dengan struktur dan ketahanan aus yang tinggi, fraksi volume penguat yang digunakan adalah ≤30%. Namun, pada aplikasinya sebagai electronic packaging, fraksi volume yang digunakan cukup tinggi yaitu sekitar 70%. PAMC dapat dibuat dengan proses solid state (proses metalurgi serbuk) atau liquid state (stir casting, infiltration dan in-situ). PAMC lebih murah apabila dibandingkan dengan CFAMC. Sifat mekanik PAMC lebih rendah apabila dibandingkan dengan SFAMC atau CFAMC. Komposit ini dapat melaluai proses secondary forming sebelum digunakan seperti ekstrusi, canai dan tempaan. Gambar 2a menunjukkan struktur mikro cast AMC dengan fraksi volume 40% dengan penguat partikel SiC.

 

Gambar 2. Struktur mikro dari (a) AMC dengan fraksi volume partikel SiC 40%, (b) SFAMC, (c) CFAMC dengan penguat berupa serat alumina, (d) HAMC dengan 10% partikel SiC dan 4% partikel grafit.

(b)   Short fibre reinforced AMC (SFAMC)

Contoh SFAMC yang paling banyak dikembangkan adalah SFAMC dengan penguat alumina, yang biasa digunakan sebagai piston. Komposit ini dibuat dengan metode squeeze infiltration. Gambar 2b menunjukkan struktur mikro dari SFAMC. SFAMC memiliki sifat di antara CFAMC dan PAMC.

(c)   Continuous fibre reinforced AMC (CFAMC)

CFAMC memiliki penguat berbentuk continuous fibres (alumina, SiC atau carbon) dengan diameter ≤20 µm. Pada CFAMC, serat dapat disusun secara parallel atau pre woven. Fraksi volume penguat pada CFAMC ≤40% yang diproduksi dengan teknik squeeze infiltration. Gambar 2c menunjukkan struktur mikro dari CFAMC  dengan serat berupa alumina.

(d)   Mono filament reinforced AMC (MFAMC)

Monofilaments adalah serat dengan diameter lebar (100-150 µm), biasanya diproduksi dengan chemical vapour deposition (CVD) dari SiC atau B ke dalam serat karbon atau kawat wolfram. Fleksibilitas untuk ditekuk dari monofilament lebih rendah dibandingkan dengan multifilament. MFAMC diproduksi dengan teknik diffusion bonding.

Pada CFAMC dan MFAMC, penguat adalah penopang beban yang utama dan peran dari matriks aluminium adalah untuk mengikat penguat tersebut dan mendistribusikan beban yang diterima. Karakteristik CFAMC dan MFAMC bergantung pada arah pembebanan. Komposit-komposit tersebut akan memiliki kekuatan yang rendah pada pembebanan dengan arah tegak lurus dari orientasi serat. Pada PAMC dan SFAMC, matriks adalah penopang beban yang utama. Peran dari penguat adalah untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan dari komposit, yaitu mencegah matriks terdeformasi  dengan mechanical restraint.

Di samping empat jenis AMC yang dijelaskan di atas, terdapat AMC yang dikenal dengan hybrid AMC (HAMC). HAMC yaitu komposit dengan lebih dari satu jenis penguat, contohnya yaitu campuran dari partikel dan serat atau  penguat keras dan lunak. Contoh penggunaan HAMC dengan campuran serat karbon dan partikel alumina adalah pada aplikasi cylindrical liner. Gambar 2d menunjukkan struktur mikro dari HAMC dengan partikel SiC yang keras dan grafit yang lunak sebagai penguatnya.

 

3.   Teknik Pembuatan AMC

Proses utama pembuatan AMC pada skala industri dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok, yaitu solid state processes dan liquid state processes.

3.1       Solid state processing

3.1a     Pencampuran serbuk dan consolidation (Proses metalurgi serbuk)

Pencampuran serbuk aluminium dengan keramik serat pendek atau partikel adalah teknik yang baik untuk membuat AMC. Pencampuran dapat dilakukan dalam keadaan kering atau berupa cairan suspensi. Pencampuran biasanya diikuti dengan tahap kompaksi, canning, penghilangan gas dan high temperature consolidation seperti hot isostatic pressing (HIP) atau ekstrusi. AMC yang dibuat dengan proses metalurgi serbuk mengandung partikel oksida dengan fraksi volume sekitar 0,05-0,5. Partikel oksida halus ini cenderung berperan sebagai dispersion-strengthening agent dan memiliki pengaruh yang kuat pada sifat-sifat matrik. Adapun tahapan dari proses metalurgi serbuk adalah seperti pada gambar 3.

 

Gambar 3. Tahapan proses metalurgi serbuk

3.1b     Diffusion bonding

MFAMC sebagian besar diproduksi dengan teknik diffusion bonding (foil-fibre-foil), contohnya adalah komposit Al-boron fibre 6061 dan komposit berpenguat serat Ti. Proses ini dapat digunakan untuk membuat komposit dengan fraksi volume serat yang tinggi. Pendistribusian serat secara homogen pada proses ini sulit untuk untuk dicapai. Proses ini tidak cocok untuk digunakan dalam pembuatan komponen dengan bentuk yang kompleks.

3.1c     Physical vapour deposition (PVD)

Proses ini melibatkan tekanan parsial yang tinggi pada logam yang akan dideposisikan. Vapour diproduksi dengan high power electron beam secara langsung di atas solid bar feed stock. Kecepatan deposisinya sekitar 5–10 µm/menit. Komposit dengan persebaran serat yang merata dan fraksi volume sekitar 80% dapat diproduksi dengan teknik ini.

3.2       Liquid state processing

3.2a     Stir casting

Proses ini melibatkan pencampuran partikel keramik ke dalam lelehan aluminium. Hal yang penting dalam proses ini adalah membuat pembasahan yang baik antara partikel penguat dengan lelehan paduan aluminium. Teknik yang paling mudah dan paling komersial adalah teknik stir-casting. Teknik stir-casting memungkinkan untuk membuat komposit sampai dengan 30% partikel keramik dengan kisaran ukuran 5-100 µm. Pada proses ini, persebaran penguat yang tidak merata dapat menjadi masalah pada solidifikasi di sekitar interface antara partikel keramik dengan lelehan aluminium. Variasi lain dari proses stir casting adalah compo-casting. Pada compo-casting, partikel keramik dicampurkan ke dalam paduan ketika dalam keadaan semi solid.

 

Gambar 4. Compo-casting dari AMC

3.2b     Infiltration process

Paduan aluminium cair diinjeksikan ke dalam celah poros pre-form continuous/short fibre atau partikel untuk membuat AMC. AMC dengan fraksi volume penguat 10-70% dapat dibuat dengan menggunakan teknik infiltrasi ini.

 

Gambar 5. Infiltrasi dari preform continuous fiber

3.2c     Proses osprey

Proses osprey adalah teknik spray deposition dimana droplet stream diproduksi pada sebuah molten bath. Porositas produk yang dihasilkan adalah sekitar 5–10%. Proses osprey dapat digunakan untuk membuat PAMC dan CFAMC. Pada proses ini, fraksi volume serat dan distribusinya diatur dengan cara menyesuaikan jarak serat dan jumlah lapisan serat. Proses osprey relatif murah dengan kisaran harga berada di antara stir cast dan proses metalurgi serbuk. Skema dari proses osprey adalah seperti ditunjukkan pada gambar 6.

 

Gambar 6. Proses osprey untuk produksi PAMC

3.2d     In-situ processing (reactive processing)

Salah satu contoh proses in-situ adalah directional oxidation yang biasa dikenal sebagai proses DIMOX. Pada proses ini paduan Al–Mg diletakkan di atas preform keramik pada sebuah krusibel. Ketika paduan Al–Mg meleleh, lelehannya tersebut akan masuk ke dalam preform dan kemudian membentuk komposit. Selain proses DIMOX, ada juga proses dispersi Martin–Marietta’s exothermic atau XDTm. Proses XDTm digunakan untuk memproduksi AMC berpenguat TiB₂. Proses ini mudah disesuaikan dan dapat digunakan untuk fasa keras dan lunak dengan ukuran yang berbeda dan bentuk yang meliputi partikel dan pelat pada matriks paduan aluminium. Proses in-situ lainnya adalah dengan reaksi gas–cairan yang digunakan untuk memproduksi AMC berpenguat TiC. Contohnya, pada pembuatan komposit Al-TiC yaitu dengan meniupkan gelembung carbonaceous gas seperti metana ke dalam lelehan Al–Ti dengan temperatur yang kemudian dinaikkan.

Gambar 7. Proses in-situ dengan reaktan gas untuk memproduksi AMC

Berdasarkan proses-proses di atas, maka dapat diambil kesimpulan mengenai proses utama yang memungkinkan untuk pembuatan AMC sepertin pada tabel 3 di bawah ini.

 

4.   Aplikasi AMC

PAMC dengan partikel-partikel penguat seperti SiC, Al₂O₃, TiC, TiB₂ dan B₄C telah sukses digunakan pada bidang otomotif, penerbangan, dan thermal management. Padabidang penerbangan, PAMC digunakan sebagai fan exit guide vane (FEGV) pada gas turbine engine (gambar 8), sebagai ventral fins dan fuel access cover doors pada pesawat militer. Selain itu, PAMC digunakan sebagai rotating blade sleeves pada helikopter yang tentunya dengan syarat mampu menahan tegangan tinggi saat digunakan (gambar 9). Penggunaan PAMC terbanyak adalah pada sistem rem kereta dan mobil. Aplikasi pada bidang otomotif lain yang juga potensial adalah sebagai valves, crankshafts, gear parts dan suspension arms. Untuk SFAMC dan HAMC, contoh aplikasinya pada tegangan tinggi kebanyakan adalah sebagai piston dan cylinder liner. Selain itu, SFAMC juga telah banyakmdigunakan pada bidang pertahanan yaitu sebagai track shoes pada tank. Beberapa aplikasi lain di bidang otomotif yang telah banyak digunakan dari beberapa jenis AMC tertera pada tabel 4 di bawah ini.

Table 4. aplikasi AMC pada bidang otomotif

 

Gambar 8. Komponen fan exit guide vane (FEGV) yang terbuat dari PAMC

 

Gambar 9. PAMC rotating blade sleeves yang digunakan pada helikopter

 

Gambar 10. Piston yang terbuat dari AMC

 

Referensi:

1. Surappa, M. K. “Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities”. Sadhana Vol. 28, Parts 1 & 2, February/April 2003, pp. 319–334.
2. Froyen, L. & B. Verlinden. “Aluminium Matrix Composite Materials”. TALAT Lecture 1402 University of Leuven, Belgium. 1994.
3. Das, S. “Development of Aluminium Alloy Composites for Engineering Applications”. Trans. Indian Inst. Met. Vol.57, No. 4, August 2004, pp. 325-334.
4. Muller, S., Th. Schubert, F. Fiedler, R. Stein, B. Kieback & L. Deters. “Properties of Sintered P/M Aluminium Composites”. Metal Matrix Composites – Euro PM2011.