Bubuk Ti3Al: Komposisi, Properti, Aplikasi, dan Lainnya

Beberapa sifat dan karakteristik utama dari bubuk Ti3Al antara lain:

• Kekuatan tinggi pada suhu tinggi hingga 750°C
• Kepadatan sekitar setengah dari superalloy nikel
• Ketahanan korosi yang luar biasa
• Kepadatan rendah dibandingkan dengan paduan titanium lainnya
• Ketahanan oksidasi hingga sekitar 700°C
• Ketahanan aus
• Biokompatibilitas

Namun, Ti3Al juga memiliki keterbatasan seperti keuletan suhu ruangan yang buruk, ketangguhan patah yang rendah, dan kemampuan las yang buruk. Pemrosesan yang tepat dan penambahan paduan diperlukan untuk mengoptimalkan keseimbangan properti untuk aplikasi yang berbeda.

Artikel ini memberikan gambaran umum terperinci tentang komposisi, properti, aplikasi, pemasok, biaya, metode pengujian, dan detail teknis lainnya yang terkait dengan bubuk Ti3Al.

Komposisi Serbuk Ti3Al

Serbuk Ti3Al memiliki komposisi nominal 75% titanium dan 25% aluminium menurut beratnya. Senyawa intermetalik titanium aluminida membentuk antara 50-75% aluminium, dengan Ti3Al sebagai versi yang paling umum.

Komposisi yang tepat dapat bervariasi, tergantung pada metode produksi. Unsur-unsur lain seperti Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C, dan O sering ditambahkan dalam jumlah kecil untuk meningkatkan sifat-sifat tertentu. Tabel di bawah ini menunjukkan kisaran komposisi yang umum:

Elemen	Berat %
Titanium (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molibdenum (Mo)	0 – 4%
Silikon (Si)	0 – 2%
Boron (B)	0 – 0.5%
Tantalum (Ta)	0 – 5%
Tungsten (W)	0 – 5%
Karbon (C)	0 – 0.1%
Oksigen (O)	0 – 0.2%

Mengontrol kandungan oksigen dan karbon sangat penting untuk menghindari penggetasan dan menjaga keuletan. Elemen jejak lainnya juga dapat hadir tergantung pada bahan baku dan prosesnya.

Properti Bubuk Ti3Al

Sifat unik bubuk Ti3Al berasal dari struktur kristal intermetalik yang terdiri dari atom titanium dan aluminium. Beberapa sifat penting termasuk:

Kekuatan Suhu Tinggi

Ti3Al mempertahankan kekuatan yang relatif tinggi hingga 750 ° C, jauh lebih baik daripada titanium atau aluminium saja. Hal ini membuatnya cocok untuk aplikasi suhu tinggi pada mesin, turbin, katup, dll. Tabel di bawah ini membandingkan kekuatan Ti3Al dengan paduan titanium lainnya pada suhu yang berbeda:

Paduan	Kekuatan Suhu Ruangan (MPa)	Kekuatan pada suhu 500°C (MPa)	Kepadatan (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Kepadatan Rendah

Dengan kepadatan sekitar 3,7 - 4,1 g/cm3, Ti3Al jauh lebih ringan daripada superalloy nikel dan sebagian besar paduan titanium lainnya. Hal ini membantu mengurangi berat komponen yang sangat penting dalam aplikasi ruang angkasa.

Ketahanan Oksidasi

Ti3Al menawarkan ketahanan oksidasi yang baik hingga 700 ° C di udara, lebih baik daripada titanium murni. Hal ini memungkinkannya untuk beroperasi pada suhu tinggi tanpa kehilangan material yang berlebihan.

Ketahanan Korosi

Kandungan titanium memberikan Ti3Al ketahanan korosi yang sangat baik terhadap berbagai macam asam, alkali, dan lingkungan garam. Hal ini membuatnya berguna dalam peralatan pemrosesan kimia.

Ketahanan aus

Ti3Al memiliki ketahanan abrasi dan erosi yang baik yang sebanding dengan baja, sehingga cocok untuk aplikasi keausan tinggi seperti katup, pompa, dan cetakan ekstrusi.

Namun, Ti3Al juga memiliki kekurangan seperti:

• Keuletan dan ketangguhan retak pada suhu ruangan yang buruk
• Sulit untuk dibuat dan dikerjakan dengan mesin
• Kemampuan las yang buruk karena kerentanan terhadap keretakan

Pemrosesan yang tepat dan penambahan paduan diperlukan untuk mengoptimalkan keseimbangan properti untuk aplikasi yang dimaksudkan.

Aplikasi Bubuk Ti3Al

Sifat unik dari bubuk Ti3Al membuatnya cocok untuk aplikasi berikut:

Dirgantara

Industri kedirgantaraan adalah konsumen terbesar produk Ti3Al karena kebutuhan akan penghematan berat, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan oksidasi. Aplikasi yang umum meliputi:

• Bilah turbin, baling-baling, cakram
• Ruang pembakaran, afterburner
• Rangka pesawat, komponen struktural
• Pipa hidrolik, katup

Otomotif

Industri otomotif menggunakan Ti3Al untuk komponen turbocharger, katup, pegas, pengencang, dan komponen sistem pembuangan yang membutuhkan kekuatan suhu tinggi dan bobot yang lebih rendah.

Pengolahan Kimia

Ti3Al digunakan untuk komponen seperti katup, pompa, alat kelengkapan pipa, bejana reaksi yang membutuhkan ketahanan korosi yang dikombinasikan dengan sifat mekanik suhu tinggi.

Biomedis

Biokompatibilitas, ketahanan terhadap korosi, dan kekuatan Ti3Al membuatnya cocok untuk implan ortopedi seperti sendi pinggul buatan.

Aplikasi lain termasuk katup kinerja tinggi, cetakan ekstrusi, elemen pemanas, dan barang olahraga. Ti3Al juga digunakan sebagai bubuk manufaktur aditif.

Spesifikasi Bubuk Ti3Al

Serbuk Ti3Al tersedia dalam berbagai ukuran, morfologi, dan tingkat kemurnian yang berbeda tergantung pada proses produksi. Spesifikasi utama diberikan di bawah ini:

Spesifikasi	Detail
Ukuran partikel	15 - 150 mikron
Morfologi	Bulat, bersudut, campuran
Kepadatan yang tampak	2 - 3,5 g/cm3
Kerapatan ketukan	3 - 4,5 g/cm3
Kemurnian	≥99%, ≥99,9%
Kandungan oksigen	≤ 0,2 wt%
Kandungan nitrogen	≤ 0,05 wt%
Kandungan karbon	≤ 0,08 wt%
Kandungan zat besi	≤ 0,30 wt%
Kandungan nikel	≤ 0,10 wt%
Paket standar	5kg, 10kg, 25kg

Ukuran partikel yang lebih halus umumnya memberikan kemampuan mengalir, densitas kemasan, dan reaktivitas yang lebih baik. Morfologi bulat juga meningkatkan aliran bubuk. Kemurnian yang lebih tinggi mengurangi kontaminan dan meningkatkan sifat.

Produksi Serbuk Ti3Al

Ada beberapa metode yang digunakan untuk memproduksi bubuk Ti3Al termasuk:

• Atomisasi Gas - Paduan Ti-Al cair dikabutkan dengan gas inert menjadi tetesan halus yang mengeras menjadi bubuk. Hal ini menghasilkan partikel berbentuk bola dengan kemampuan mengalir yang baik.
• Paduan Mekanis - Serbuk unsur Ti dan Al digiling menjadi bola untuk mensintesis senyawa intermetalik secara mekanis. Partikel serbuk memiliki bentuk yang tidak beraturan.
• Spheroidisasi plasma - Serbuk Ti3Al yang tidak beraturan dari paduan mekanis dilebur kembali dalam plasma untuk menghasilkan serbuk berbentuk bola.
• Atomisasi Gas Peleburan Induksi Elektroda (EIGA) - Langsung melelehkan dan mengatomisasi elektroda Ti3Al untuk menghasilkan bubuk.

Atomisasi gas dan pemrosesan plasma memungkinkan kontrol yang lebih baik atas distribusi ukuran partikel, morfologi, pengambilan oksigen, dan struktur mikro. Serbuk biasanya harus diayak menjadi fraksi ukuran tertentu setelah produksi berdasarkan persyaratan aplikasi.

Biaya Bubuk Ti3Al

Serbuk Ti3Al secara signifikan lebih mahal daripada serbuk titanium atau aluminium saja. Harganya bervariasi:

• $100 - $500 per kg untuk bubuk atomisasi gas kemurnian 99%
• $50 - $250 per kg untuk bubuk paduan mekanis 99%
• $300 - $1000 per kg untuk bubuk spheroidisasi plasma 99,9%

Harga tergantung pada ukuran partikel, morfologi, tingkat kemurnian, jumlah pesanan, dan produsen. Paduan khusus dengan komposisi khusus dapat berharga lebih tinggi. Biaya telah menurun karena peningkatan volume produksi dan perbaikan proses.

Pemasok Bubuk Ti3Al

Beberapa pemasok global utama bubuk Ti3Al meliputi:

Perusahaan	Lokasi
AP&C	Kanada
TLS Technik GmbH	Jerman
Teknologi Logam	INGGRIS
Logam Serbuk ATI	AMERIKA SERIKAT
Aditif Tukang Kayu	AMERIKA SERIKAT
Met3DP	Cina
Tekna	Kanada

Ada juga beberapa produsen di Tiongkok. Dianjurkan untuk mendapatkan bubuk dari produsen yang sudah mapan dengan menggunakan proses produksi yang memenuhi syarat untuk memastikan kualitas dan sifat yang dapat diandalkan.

Ti3Al versus Alternatif

Ti3Al bersaing dengan beberapa alternatif untuk aplikasi struktural suhu tinggi:

Tabel: Perbandingan Ti3Al versus paduan suhu tinggi lainnya

Paduan	Kepadatan	Suhu Maks	Kekuatan	Daktilitas	Ketahanan Oksidasi	Biaya
Ti3Al	Rendah	Sangat tinggi	Tinggi	Rendah	Bagus.	Tinggi
Inconel 718	Tinggi	Tinggi	Sedang	Sedang	Bagus.	Sedang
Haynes 230	Tinggi	Sangat tinggi	Tinggi	Rendah	Luar biasa	Sangat tinggi
Ti6Al4V	Sedang	Sedang	Sedang	Sedang	Luar biasa	Sedang
Baja tahan karat feritik	Sedang	Sedang	Rendah	Tinggi	Miskin	Rendah

Untuk suhu servis maksimum, Ti3Al dan superalloy berbasis nikel seperti Haynes 230 lebih unggul. Namun, kepadatan dan biaya yang lebih rendah dari Ti3Al menguntungkan untuk aplikasi yang sangat berat seperti ruang angkasa.

Keuletan suhu ruang yang buruk dari Ti3Al tetap menjadi batasan utama dibandingkan dengan baja dan Ti6Al4V. Pengembangan paduan dan proses terus meningkatkan kemampuan mesin dan fabrikasi.

Keuntungan dari Bubuk Ti3Al

Manfaat utama menggunakan bubuk Ti3Al meliputi:

• Kekuatan tinggi dipertahankan hingga 800°C
• Kepadatan 40% lebih rendah dari superalloy nikel
• Ketahanan mulur yang sangat baik
• Ketahanan oksidasi dan korosi yang baik
• Substitusi logam tahan api tanpa risiko material strategis
• Pembuatan bentuk hampir bersih dengan metalurgi serbuk
• Komponen dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi
• Penghematan berat pada bagian yang berputar seperti bilah turbin
• Peningkatan efisiensi melalui parameter pengoperasian yang lebih tinggi

Keseimbangan yang unik antara sifat mekanik, kepadatan rendah dan stabilitas termal membuat Ti3Al menjadi bahan yang memungkinkan untuk sistem kedirgantaraan, otomotif, dan pembangkit listrik generasi berikutnya.

Keterbatasan Bubuk Ti3Al

Terlepas dari kelebihannya, Ti3Al juga memiliki beberapa kekurangan:

• Rapuh pada suhu kamar, keuletan meningkat di atas 500°C
• Fabrikasi dan pemesinan merupakan hal yang menantang
• Kehilangan properti yang cepat di bawah 400°C
• Biaya bahan baku dan pemrosesan sangat tinggi
• Rantai pasokan terbatas dengan beberapa produsen
• Desain komponen membutuhkan keahlian teknik khusus
• Tidak mudah dilas atau disambung dengan teknik konvensional
• Sulit untuk didaur ulang dan digunakan kembali

Kendala manufaktur dan biaya telah memperlambat adopsi komersial Ti3Al secara luas hingga saat ini. Namun kemampuannya terus mendorong upaya pengembangan untuk mengatasi keterbatasan ini melalui peningkatan kimia paduan, kualitas serbuk, dan desain komponen.

Prospek untuk Bubuk Ti3Al

Ti3Al diperkirakan akan mengalami perluasan penggunaan di sektor kedirgantaraan, otomotif, turbin gas industri, dan pembangkit listrik:

• Meningkatnya permintaan akan efisiensi bahan bakar mesin jet dan emisi yang lebih rendah
• Bahan suhu tinggi yang diperlukan untuk turbocharger listrik
• Pasar yang berkembang untuk teknologi manufaktur aditif
• Fokus pada substitusi material strategis untuk logam tanah jarang dan logam tahan api
• Pengurangan biaya melalui peningkatan produktivitas manufaktur

Pasar otomotif dan industri lebih sensitif terhadap harga dan membutuhkan keunggulan kinerja biaya yang dapat dibuktikan dibandingkan dengan paduan yang ada. Sektor kedirgantaraan lebih bersedia membayar harga premium untuk kinerja maksimum.

Inisiatif pemerintah di AS, Uni Eropa dan Jepang mempercepat R&D pada produksi serbuk Ti3Al, fabrikasi komponen, metode penggabungan dan pengembangan paduan. Hal ini akan memperluas ruang aplikasi dan mendorong tingkat adopsi yang lebih tinggi.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

T: Untuk apa bubuk Ti3Al digunakan?

J: Serbuk Ti3Al digunakan untuk membuat komponen suhu tinggi seperti bilah turbin, roda turbocharger, penukar panas, dan komponen lain yang beroperasi pada suhu 500-800°C. Ini memberikan keseimbangan yang sangat baik antara kekuatan tinggi, kepadatan rendah dan ketahanan oksidasi yang baik.

T: Bagaimana bubuk Ti3Al dibuat?

J: Metode produksi yang umum meliputi atomisasi gas, atomisasi plasma, atomisasi gas peleburan induksi elektroda (EIGA) dan pemaduan mekanis. Setiap proses menghasilkan karakteristik serbuk yang berbeda, yang cocok untuk aplikasi tertentu.

T: Apakah bubuk Ti3Al lebih baik dari Inconel 718?

J: Ti3Al memiliki kepadatan yang lebih rendah, sehingga memberikan penghematan berat dibandingkan Inconel 718. Ini memiliki kekuatan yang lebih tinggi pada suhu di atas 700 ° C. Namun, keuletan suhu kamar Ti3Al cukup rendah sementara Inconel 718 dapat dibuat dan dikerjakan dengan mudah.

T: Berapa biaya bubuk Ti3Al?

J: Harga bubuk Ti3Al sekitar $450-750 per kg, yang hampir 5 kali lebih mahal daripada superalloy nikel dan 10 kali lebih mahal daripada bubuk titanium atau aluminium. Biaya yang tinggi disebabkan oleh pemrosesan yang rumit dan permintaan pasar yang terbatas.

T: Bagaimana cara penanganan dan penyimpanan bubuk Ti3Al?

J: Seperti bubuk paduan reaktif lainnya, Ti3Al membutuhkan selimut gas inert dan penyimpanan bebas kelembaban. Hanya wadah keramik, kaca, atau stainless yang boleh digunakan. Tindakan pencegahan keselamatan meliputi pengardean, ventilasi, dan APD pernapasan.

T: Apa saja tantangan dalam menggunakan bubuk Ti3Al?

J: Keterbatasan utama adalah keuletan suhu ruangan yang buruk, biaya material yang tinggi, jumlah pemasok yang terbatas, kesulitan dalam permesinan/fabrikasi, dan kurangnya teknologi penyambungan. Peningkatan paduan, pengembangan proses dan optimalisasi desain komponen diperlukan untuk memperluas penggunaan komersial.

T: Bagaimana prospek masa depan untuk bubuk Ti3Al?

J: Penggunaan serbuk Ti3Al diperkirakan akan tumbuh secara signifikan pada mesin kedirgantaraan, turbocharger otomotif, dan aplikasi industri bersuhu tinggi. Inisiatif untuk menurunkan biaya, meningkatkan properti, dan mematangkan manufaktur akan memungkinkan adopsi yang lebih luas.