Osprey Process of Aluminum Composites

Paduan aluminum digunakan dalam aplikasi advanced karena kombinasi kekuatan

dengan densitas yang rendah, ketahanan(durability), machinability, ketersediaan dan

harganya yang sangat menarik dibandingkan material-material lainnya. Sifat-sifat tersebut

dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan material aluminum matrix composites(AMCs).

Aluminum matrix composites dapat didefenisikan sebagai berikut:

- Harus man-made

- Harus berupa gabungan paling tidak dua material(konstituen) yang berbeda secara

kimia(salah satunya aluminum) dengan suatu antarmuka(interface) yang memisahkan

konstituen-konstituen tersebut.

- Material-material tersebut harus digabungkan secara tiga dimensi.

- Dapat menghasilkan sifat-sifat yang tidak bisa dicapai dengan menggunakan masing-

masing konstituen secara terpisah.

Defenisi ini membedakan aluminum matrix composites dari paduan aluminum, yang didapat

melalui kontrol transformasi fasa yang terjadi secara alami selama solidifikasi atau

thermomechanical processing. Aluminum matrix composites memiliki kelebihan dan

kekurangan tertentu dibanding paduan aluminum yang tidak di-reinforced, terhadap polymer

matrix composites (PMC) dan terhadap ceramic matrix composites(CMC). Ringkasan

perbandingan aluminum matrix composites dengan dengan polymer matrix composites dan

ceramic matrix composites dapat dilihat pada tabel dibawah ini.[1]

Tabel 1. Perbandingan kelebihan dan kekurangan aluminum matrix composites[1]

Berikut ini beberapa jenis reinforcement yang digunakan untuk aluminum dan paduannya.

Tabel 2. Reinforcement yang digunakan untuk alumium dan paduannya. [1]

Aluminum matrix composites dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis dan geometri

dari reinforcement yang digunakan.

1. Continuous fibre reinforced composites dengan monofilamen(diameter > 100 µm), atau

dengan tows of fibers(diameter < 20 µm)

2. Discontinously reinforced composites dengan serat pendek(short fibers), whiskers atau

partikel(particulates).

Gambar 1. Tipikal geometri reinforcement pada MMC[1]

Continous fibre reinforced composites memiliki fitur-fitur utama sebagai berikut:

- Peningkatan stiffness dan strength

- Penurunan wear dan creep

- Sifat-sifat anisotropic

- Peningkatan fatique strength dalam arah serat

- Teknik manufaktur yang kompleks dan biaya mahal.

Discontinous fiber reinforced composites dikembangkan jika kekuatan bukanlah

tujuan utama pembuatan komposit, namun jika stiffness, ketahanan terhadap aus, kontrol

terhadap ekspansi panas dan temperatur service yang lebih tinggi diinginkan.

Peranan Mendasar Interface pada Al-Matrix Composites[1]

Keberhasilan dari aluminum matrix composites sangat didominasi oleh pengontrolan

dan peningkatan interface antara matriks aluminum dan fasa penguatnya.

- Pembasahan yang baik dibutuhkan untuk memudahkan fabrikasi, khususnya jika

menggunakan teknik liquid state dengan tekanan rendah;

- Reaksi interface antara matriks dan reinforcement harus seminimal mungkin, untuk

mencegah degradasi dari fasa penguat dan pembentukan fasa baru yang getas.

- Ikatan yang baik dibutuhkan untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan.

Untuk paduan aluminum sebagai matriks, pembasahan dapat ditingkatkan melalui suatu

reaksi kimia dengan reinforcement yang menurunkan energi antarmuka. Penghilangan lapisan

oksida yang menutupi liquid aluminum juga dapat meningkatkan perilaku pembasahan.

Parameter-parameter yang selanjutnya mempengaruhi pembasahan keramik(reinfocement)

oleh alumimum cair adalah temperatur(temperatur yang lebih tinggi menghasilkan wettability

yang lebih baik), waktu kontak(pembasahan meningkat dengan waktu kontak yang lebih

lama), tekanan dari atmosfer sekitar(pada kondisi vacuum, gas yang diadsorbsi dihilangkan

dan memperbaiki wettablility). Terdapat beberapa metode kimia dan mekanis untuk

meningkatkan wetting yang kurang baik, yaitu: pretreatment reinforcement, modifikasi

paduan matriks, coating reinforcement, dan cara mekanis.

Terdapat berbagai teknik fabrikasi MMC tergantung pada apakah teknik tersebut

ditujukan untuk produksi continous atau discontinous reinforced MMC. Teknik fabrikasi

tersebut selanjutnya dapat dibedakan lagi berdasarkan fasa matriks yang terlibat dalam

produksi komposit tersebut(liquid atau solid).

Metode Spray

Metode spray dimulai dari pembentukan suatu campuran dari droplet logam cair dan

partikel penguat yang di”semprotkan” pada suatu subtrat (removable). Keuntungan dari

metode spray adalah pembekuan yang cepat dari matriks yang menghasikan struktur butir

yang halus dan memperpendek waktu reaksi antara reinforcement dan matriks. Selain itu

tahapan blending dan degassing seperti pada tipikal jalur metalurgi serbuk dapat dieliminasi.

Gbr. 2 Perbandingan jalur metode metalurgi serbuk konvensional dengan metode spray dalam produksi

MMC. [1] Osprey Process

Metode spray ini dikembangkan pada akhir tahun 1970-an dan selama 1980-an oleh

Osprey Metals Ltd. di UK dan dapat diterapkan untuk paduan aluminum yang di-reinforced

dengan partikel [1,3]. Tahapan dasar produksi adalah pembentukan semburan/semprotan liquid

droplet(mirip dengan atomisasi gas pada metalurgi serbuk) pada suatu subtrat yang

didinginkan yang ditempatkan pada arah semprotan. Hal ini yang membedakan dengan

manufaktur serbuk pada metalurgi serbuk, dimana droplet dibiarkan membeku, sedangkan

pada metode ini droplet dikumpulkan pada suatu substrat [3]. Kecepatan droplet biasanya

berkisar antara 20-40 m/s[2]. Partikel penguat dapat langsung diinjeksikan kedalam atomised

spray, menghasilkan deposit logam aluminum dan partikel penguat secara bersamaan[1].

Ukuran partikel keramik(biasanya SiC) yang digunkan berkisar antara 5-15µm[6]. Tergantung

pada bentuk sistem pengumpul substrat, dapat dihasilkan berbagai bentuk, termasuk

lembaran. Struktur yang dihasilkan memiliki butiran yang halus(umumnya 15 µm) dan cukup

padat(95-98% densitas teoritis). Dengan metode ini dapat diproduksi ingot dengan berat 100

kg atau lebih. Spray billet selanjutnya memasuki secondary processing (hot work; ekstrusi,

rolling, forging) [1,3].

Gambar. Metode spray Osprey untuk produksi particulate composites [1]

Tabel 3. Tipikal properties Al-matrix composites yang diproduksi dengan metode Osprey [1]

MMC yang diproduksi dengan cara ini sering menunjukkan distribusi partikel penguat

yang tidak homogen. Biasanya terdapat lapisan yang kaya keramik(misal partikel SiC) pada

arah tegak lurus terhadap arah pertumbuhan keseluruhan[2,3] . Hal ini dapat disebabkan oleh

ketidakstabilan hidrodinamika pada injeksi serbuk dan pola semburan atau karena faktor

lainnya. Porositas pada saat as-spray sekitar 5% namun biasnya akan tereliminasi saat

secondary processing. [2]

Untuk mendapatkan distribusi partikel yang seragam di dalam matriks aluminum

dibutuhkan kontrol yang baik dari atomisasi dan kondisi pengumpanan partikel penguat. Fitur

miskrostrukstur lainnya yang mencolok pada MMC yang diproduksi dengan metode Osprey

adalah ikatan antarmuka yang kuat, interface reaction layer lebih sedikit, dan kandungan

oksida yang sangat rendah. Sifat mekanis yang dihasilkan biasanya isotropik dan memenuhi

atau melampui ingot-processed alloy. Laju deposisi logam yang tinggi yaitu berkisar 0.2-

2kg/detik merupakan kelebihan tersendiri dari metode ini.

Beberapa parameter proses yang mempengaruhi sifat produk yang dihasilkan

diantaranya yaitu: melt superheat(temperatur lelehan), kecepatan aliran logam, tekanan udara,

spray motion (spray scanning frequency and angle), ketinggian spray (jarak antara gas nozzle

dengan substrat), dan gerakan substrat (kecepatan rotasi, withdrawal rate, dan sudut

kemiringan). Beberapa paduan aluminum mengandung partikel penguat SiC telah diproduksi

dengan spray deposition, meliputi paduan Al-Si cor dan aluminum wrought seri 2xxx, 6xxx,

7xxx,dan 8xxx (aluminum-litium). [3]

Para peneliti telah melakukan penelitian pada komposit Al-Si. Chaudury et al. telah

menyelidiki mikrostruktur dan karakteristik keausan komposit yang diproses dengan metode

spray forming, dan menemukan bahwa mikrostruktur dan karakteristik ausnya lebih baik

daripada komposit yang di proses dengan metode stir casting. Selain itu, ditemukan bahwa

respon terhadap perlakuan panas(ageing) dari komposit ini jauh lebih baik daripada

paduannya.[4]

Metode spray ini juga memungkinkan untuk pemrosesan continous fiber reinforced

AMCs.Dalam hal ini serat dibalutkan pada suatu mandrel dengan jarak tertentu antar serat,

kemudian matriks logam aluminum disemprotkan pada serat tersebut. Pemrosesan AMCs

dengan metode spray relatif tidak mahal, biayanya adalan antara stir cast dan metode

metalurgi serbuk(PM). [5]

Referensi

1. Froyen L., B. Verlinden. 1994. TALAT (Training in Aluminum Application and

Technology) Lecture 1402: Aluminium Matrix Composites Materials. European Aluminium

Association.

2. Clyne, T.W.2001. Metal Matrix Composites: Matrices and Processing. Department of

Materials Science and Metallurgy University of Cambridge.

3. ASM International. 2004. ASM Handbook, Vol 21: Composites.

4. Raju K, S. N. Ojha . A. P. Harsha. 2008. Spray Forming of Aluminum Alloys and Its

Composites: An Overview. Journal of material science: Springer.

5. Surappa, M K. 2003. Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities.

Department of Metallurgy, Indian Institute of Science, Bangalore.

6. http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=740