Titanium (Ti) adalah satu di antara logam non-besi yang banyak digunakan sebagai bahan pembuatan komponen pesawat terbang ataupun untuk keperluan peralatan teknologi Penerbangan dan Antariksa pada umumnya, demikian juga peralatan sehari hari yang berkualitas tinggi semisal pisau, baskom dan jam tangan pun sudah banyak yang terbuat dari Titanium, seperti pada Gambar 1.
Begitu istimewanya Titanium ini, hingga bisa digunakan untuk keperluan teknologi maupun untuk keperluan peralatan sehari hari, maka alangkah baiknya jika kita mulai mengenal Titanium, meski hanya sekilas saja.
Logam Titanium mempunyai sifat kuat dan ringan, tahan korosi, konduktifitas listrik rendah, dan konduktifitas panas rendah. Dalam mengatasi kondisi korosi, logam ini tidak perlu diperlakukan secara khusus, mampu bekerja pada kondisi temperatur 300-400oC dalam waktu yang relatif lama, sedangkan untuk waktu yang relatif cepat logam ini dapat dioperasikan pada kondisi temperatur sekitar 500-600oC.
[iklan]
Titanium relatif mudah dipabrikasi dan mempunyai titik leleh yang rendah sehingga mudah dilakukan pengecoran. Beberapa paduan Titanium mempunyai keuletan yang tinggi dengan titik yield rendah, hal ini merupakan kombinasi ideal untuk pekerjaan dingin terutama untuk proses pembentukan logam, apalagi logam ini juga mempunyai karakteristik perlakuan mesin yang baik.
Secara umum Titanium mempunyai sifat di antara Besi dan Alumunium. Besarnya yield strenght adalah 415 MPa dan dapat dinaikkan sampai 1300 MPa dengan paduan dan perlakuan panas. Massa jenisnya hanya 56% dari massa jenis baja, dengan modulus elastisitas seharga satu setengah dari baja.
Sifat-sifat mekanik Tinanium mampu bertahan pada temperatur 480OC, oleh karena itu logam ini dapat digunakan sebagai bahan teknik pada temperatur tinggi termasuk struktur wahana antariksa. Dalam proses pengerjaannya, diperlukan biaya tinggi karena logam ini mempunyai kandungan energi sebesar 10 kali energi yang digunakan untuk mempabrikasi baja.
Adapun profil logam Titanium seperti pada Gambar 2.
Titanium cocok digunakan sebagai bahan untuk: wahana subsonik maupun supersonik, sistem booster peluru kendali, struktur sambungan, struktur wahana hipersonik, dan wahana reentri yang memerlukan sistem proteksi termal yakni bagian luar struktur mengalami panas tinggi sedangkan bagian dalamnya mengalami temperatur rendah karena hambatan panas.
KLASIFIKASI PADUAN TITANIUM
Paduan titanium dikelompokan menjadi tiga kelas berdasarkan mikro struktumya pada fase stabil dalam temperatur ruang, ketiga kelas tersebut adalah: paduan titanium alpha, paduan titanium beta dan paduan titanium alpha dan beta.
- Paduan Titanium alpha (penyetabil)
Paduan ini terdiri dari struktur alpha dan mempunyai kekuatan terendah, mudah dibentuk dan mudah di-las. Kadang-kadang terdiri dari penyetabil beta untuk memperbaiki kekuatan.
- Paduan Titanium beta
Biasanya bersifat metastabil, mudah dibentuk dan dapat di-aged (dituakan) untuk memperoleh kekuatan yang lebih tinggi.
- Paduan Titanium alpha dan beta
Paduan ini dapat digunakan untuk kekuatan tinggi dan tahan terhadap mulur (creep).
- Paduan alpha dan beta aplicasi
digunakan untuk kekuatan tinggi dan tahan terhadap creep.
- Paduan hampir alpha ( Near Alpha Alloys )
Kekuatan menengah namun lebih kuat terhadap creep. Dapat di laku panas dari fase beta sampai pengoptimalan ketahanan creep dan tahan fatique siklus rendah, kadang-kadang dapat di-las.
- Paduan fase beta
Biasanya bersifat meta stabil, mudah dibentuk dan dapat di-aged untuk memperoleh kekuatan yang lebih tinggi.
Adapun batangan Titanium paduan, seperti pada Gambar 3.
SIFAT-SIFAT MEKANIK PADUAN TITANIUM
Paduan Titanium mempunyai sifat mekanik yang beragam tergantung dari komposisi paduan yang digunakan, masing-masing komposisi mempunyai karakteristik sendiri, sebagai contoh: Ti-0,05%, O2/N2, mempunyai sifat sebagai berikut: Tegangan proof pada 2% adalah 130-170 MPa, Tegangan tarik ultimate: 270-350 MPa, Elongasi minimal sebesar 30%, Daerah reduksi 70%, dan Specific gravity: 4,51.
Sedangkan sifat-sifat mekanik logam paduan Titanium antara lain paduan Ti dengan O2, N, Pd,Cu, Mo, dan Ni. Bentuk benda yang bisa dibuat adalah: Tongkat, Batangan, Pelat, Tabung, Kawat, Bentuk pengecoran, Bentuk-bentuk sistem ekstrusi dan Bentuk bebas untuk semua bentuk.
Harga tegangan tarik ultimat terbesar dipunyai oleh Titanium dengan komposisi Ti-0,30 O2/N2 yaitu sebesar 740 MPa, Sedangkan Modulus Elastisitasnya mempunyai harga yang sama untuk semua komposisi yakni sebesar 120 GPa. Untuk proses pembentukan, perlakuan dengan penempaan merupakan perlakuan terbaik. Perlakuan las yang terbaik adalah: Ti-0,30% O2 ,Ti-0,07 O2/N2 dan Ti-0,15% Pd. Sedangkan untuk perlakuan mesin yang terbaik adalah Titanium paduan dengan komposisi: Ti-0,05 O2/N2, Ti-0,07% O2/N2 dan Ti-0,130% O2/N2.
SIFAT TAHAN LINGKUNGAN PADUAN TITANIUM
Lingkungan merupakan salah satu faktor yang dapat menyebabkan kerusakan logam, baik karena pengaruh korosi maupun kondisi friksi yang dapat menimbulkan keausan. Dalam kondisi korosi Tinanium merupakan logam yang sangat reaktif, akan tetapi dia mempunyai pelindung tenacious film oksida yang sangat kuat. Jika pelindung ini rusak, maka secara cepat akan terbentuk oksida dan akan menyebabkan korosi. Titanium pada dasarya tahan terhadap korosi karena lingkungan oksidasi tetapi tidak begitu tahan terhadap kondisi reduksi sehingga dapat mempercepat terjadinya korosi. Untuk mengatasi kondisi korosi, biasanya digunakan paduan normal pada fase alpha, misal : Titanium CP (commercial purity), Ti-0,3% Mo-0,8% Ni, Ti-2,5% Pd, Ti-2,5% Cu dan paduan a/b Ti-0,6% A1-4% V.
Hampir semua paduan selalu menggunakan Titanium CP, tetapi paduan Titanium yang lebih tahan terhadap korosi adalah paduan Titanium dengan Mo-Ni (Molibdenum-Nikel) dan Pd (Paladium). Sedangkan paduan Ti-Pd (Titanium-Paladium) khusus digunakan untuk mengatasi korosi yang disebabkan kondisi selain asam oksida.
Lingkungan air laut tidak akan menyebabkan korosi yang berarti, sampai dengan temperatur kerja 135oC akan menimbulkan burik (bintik-bintik) pada permukaan Titanium. Temperatur yang sama untuk air alami tidak menimbulkan korosi sampai dengan pembebanan UTS (Tegangan tarik ultimat). Sedangkan media lingkungan lain yang tidak berpengaruh terhadap korosi Titanium adalah: Klorin basah, NH4Cl, BaCl2 , LiCl2 dan MnCl2.
Lingkungan asam Nitrat dengan konsentrasi 20-70% dan temperatur kerja 190-240oC akan menyebabkan penggerusan pada Titanium sebesar 10 mm setiap tahun. Lingkungan Bromine cair atau berupa gas kering dengan temperatur kerja hanya 25oC akan menyebabkan Titanium cepat rusak dan hancur.
Lingkungan Klorida Yodin dalam konsentrasi basah/kering dengan temperatur kerja 130oC merupakan penyebab korosi tercepat bagi Titanium, yaitu dapat mencapai laju serangan sebesar 1,7 m setiap tahun. Selain kondisi media lingkungan, korosi juga dapat disebabkan oleh logam galvanik. Korosi jenis ini sering disebut sebagai korosi galvanik. Dalam kondisi galvanik, Titanium merupakan katode yang berhubungan dengan logam lain terutama dalam media lingkungan air laut.
Korosi pada logam akan menyebabkan timbulnya tegangan korosi, yang dapat merusak kekuatan logam tersebut. Titanium dapat menahan tegangan korosi sampai dengan 80% dari harga tegangan tarik ultimate, kecuali pada lingkungan asam nitrat merah yang menyengat dengan kadar air kurang dari 2%, metanol kurang dari 2% air dan 10% asam hidroklorid, Titanium tidak begitu tahan menghadapi serangan korosi.
Disamping tegangan, korosi juga dapat menyebabkan kelelahan logam. Batas kelelahan titanium CP (107-108 siklus) tidak berkurang karena korosi, yaitu pada tegangan sebesar 50% harga tegangan tarik ultimatenya, kecuali secara normal Titanium diserang dalam kondisi tanpa tegangan. Jika ini terjadi, Hidrogen akan diserap oleh Titanium dan dapat menyebabkan getas. Beberapa laporan menunjukkan bahwa Titanium mengalami kerusakan karena tegangan kelelahan (fatigue) dalam 35% NaCI pada kondisi 107 siklus dan bukan pada 108 Siklus.
PABRIKASI TITANIUM
Pabrikasi Titanium dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa cara antara lain: Pengecoran, tempa, pembentukan superplastic dan difusi boding, pembentukan pelat tipis (sheet), perlakuan panas dan penyambungan, perlakuan mesin, dan pembuatan bubuk logam. Titanium dengan seri 115, 130 dan 155 mempunyai reaksi yang berbeda terhadap perlakuan las, yakni terlihat dari harga kekerasannya, masing-masing adalah 163, 201 dan antara 240-250 dalam skala HV 10.
Demikian pula pada pembentukan pelat tipis menghasilkan harga kekerasan yang berbeda. Tegangan tarik ultimat terbesar dimiliki oleh Titanium 155 seharga 695 MPa. Sedangkan jari-jari pembengkokan terkecil dapat dilakukan pada Titanium 115 sebesar 1 (satu) kali tebalnya. Prosentase elongasi terbesar dimiliki oleh Titanium 115 sebesar 35 pada kepanjangan 50 mm, elongasi ini dapat menyebabkan kerusakan/pemecahan pada logam induk yang di-las.
Bahan paduan yang terdiri dari Titanium, Aluminium dan Vanadium mempunyai harga tegangan ultimat sebesar 1100¸1120 MPa, setelah mendapat perlakuan las busur argon paduan ini akan menghasilkan elongasi 7,10% serta dapat dibengkokkan dalam jari-jari bengkok sebesar 6-7 kali tebalnya.
Untuk perlakuan tempa, Titanium dapat ditempa pada semua temperatur dan kadang-kadang lebih rendah dari temperatur yang digunakan untuk menempa baja. Tetapi untuk menghasilkan mutu yang lebih baik, disarankan diberi pemanasan awal pada temperatur tinggi, agar tidak terjadi kontaminasi pada daerah permukaan logam. Temperatur ini tidak boleh melebihi 700o C.
PENGGUNAAN TITANIUM
Berbagai macam industri telah menggunakan Titanium sebagai bahan untuk memenuhi peralatan yang dibutuhkan. Dalam industri aerospace, logam ini digunakan sebagai struktur rangka udara, biasanya digunakan bersama-sama dengan logam Berilium. Karena keduanya merupakan golongan logam non-besi. Untuk pembuatan sudu kompresor dan casing dalam Turbin gas juga menggunakan Titanium. Kedua industri tersebut memilih Titanium, karena logam ini mempunyai nilai yang tinggi untuk angka perbandingan kekuatan dan beratnya. Dengan alasan yang sama beberapa alat mesin mekanik dibuat dengan bahan Titanium, misalnya: Poros engkol, Batang penghubung dan mesing-mesin putaran tinggi, untuk peralatan yang memerlukan sifat tahan korosi karena akan digunakan pada lingkungan korosi tinggi.
Titanium juga dipilih sebagai bahan teknik, misalnya untuk keperluan pembuatan pompa, katup dan alat penukar panas pada industri kimia, atau tabung tabung penukar panas pada pembangkit daya, Tabung kondensor pada mesin-mesin pembersih minyak serta untuk mesin-mesin pembersih logam sebagai katoda pembersih. Sedangkan untuk peralatan non teknik Titanium juga digunakan sebagai bahan pertimbangan kesehatan, karena logam ini tidak berbahaya bagi manusia, misalnya untuk peralatan bedah tubuh manusia, untuk perhiasan dan seni patung. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1, Sedangkan untuk komponen mesin terdapat di Gambar 4.
Gambar 4 : Komponen Mesin Terbuat dari Titanium
Titanium dapat dimanfaatkan untuk keperluan berbagai bidang dari seni yang memerlukan sentuhan kreasi mengagumkan sampai dengan untuk keperluan teknologi Aerospace yang memerlukan ketelitian dan perhitungan tingkat tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa titanium mempunyai banyak kelebihan dibandingkan dengan logam yang lain. Namun demikian tentu juga masih terdapat kelemahan. Masing-masing kelebihan dan kelemahannya dapat dilihat pada Tabel 2. (/AB).
—
*Tulisan ini sebagian besar materinya diambil dari buku Material Teknik sebagai Bahan Disain Struktur, Atik Bintoro, 2009, Massma Sikumbang, Jakarta, dan dilengkapi dengan materi dari berbagai sumber.