Laser Powder Bed Fusion Senyawa Intermetalik Titanium Aluminida (TiAl): Jalur Manufaktur Aditif untuk Komponen Suhu Tinggi Ringan di Dirgantara

Pendahuluan: Dilema antara Ringan dan Tahan Suhu

Mesin pesawat dan turbin gas terus menuntut pengurangan berat serta ketahanan suhu yang lebih tinggi. Superalloy berbasis nikel memiliki densitas sekitar 8,2 g/cm³, sehingga ruang pengurangan berat terbatas; sementara senyawa intermetalik γ-TiAl, misalnya komposisi umum Ti-48Al-2Cr-2Nb dalam persen atom, memiliki densitas hanya 3,9–4,2 g/cm³, sekitar setengah dari paduan berbasis nikel, dan tetap dapat beroperasi jangka panjang pada 700–800°C. Penggunaan material ini pada komponen struktur yang menahan panas, seperti bilah turbin tekanan rendah dan casing kompresor, merupakan jalur penting untuk peringanan di sektor dirgantara. Namun, TiAl memiliki kerapuhan intrinsik tinggi, konduktivitas termal rendah, dan unsur aluminium yang mudah teroksidasi, sehingga penempaan dan pengecoran konvensional sangat sulit. Karena itu, laser powder bed fusion (LPBF) menjadi salah satu metode pembentukan yang paling potensial.

1. Mengapa TiAl Layak Diproses dengan Manufaktur Aditif

Daktilitas γ-TiAl pada suhu ruang umumnya di bawah 2%, jendela pengerjaan panasnya sempit, serta pemesinan dan penempaan konvensional menghasilkan banyak kehilangan material dengan biaya tinggi. LPBF, melalui proses peleburan lapis demi lapis, dapat menghindari tantangan deformasi besar dan langsung membentuk blank bilah mendekati ukuran akhir dengan rongga internal kompleks untuk pendinginan. Untuk komponen suhu tinggi dalam volume kecil dan variasi tinggi, manufaktur aditif menawarkan keunggulan nyata dalam waktu pengiriman dan kebebasan desain, sekaligus memudahkan iterasi serta validasi cepat sebelum pemasangan pada mesin.

2. Tantangan Proses Utama dalam LPBF

TiAl menghadapi tiga masalah khas dalam LPBF. Pertama, retak panas dan retak dingin akibat konduktivitas termal rendah yang menimbulkan gradien suhu curam dan tegangan sisa tinggi. Kedua, aluminium memiliki reflektivitas laser dan tekanan uap tinggi, sehingga mudah memicu balling, percikan, dan porositas. Ketiga, peningkatan kadar oksigen antar lapisan dapat membentuk film oksida yang menyebabkan penggetasan, menurunkan daktilitas dan performa lelah. Karena itu, jendela proses, atmosfer, dan pascaproses harus dirancang sebagai satu sistem tertutup yang terintegrasi.

3. Jendela Proses dan Kontrol Parameter

Dalam aplikasi rekayasa, rentang proses yang umum digunakan mencakup daya laser 150–350 W, kecepatan pemindaian 600–1200 mm/s, dan ketebalan lapisan 30–50 μm, dikombinasikan dengan pemanasan awal pelat dasar pada 200–400°C. Sebagian peralatan menggunakan pelat dasar panas pada kisaran 500°C untuk mengurangi retak akibat tegangan termal. Energi yang terlalu tinggi dapat menyebabkan keyhole dan peleburan berlebih, sedangkan energi yang terlalu rendah menghasilkan densitas yang tidak memadai. Target densitas relatif sebaiknya stabil di atas 99,5%, sementara strategi pemindaian pola papan catur atau jalur strip, disertai rotasi arah pemindaian, digunakan untuk menekan konsentrasi tegangan sisa.

4. Kontrol Atmosfer dan Kandungan Oksigen

Aktivitas aluminium membuat TiAl sangat sensitif terhadap oksigen. Kandungan oksigen di ruang pembentukan disarankan dikendalikan di bawah 500 ppm, sedangkan kandungan oksigen dalam serbuk titanium aluminida sebaiknya di bawah 0,1 wt%. Proses pengumpanan serbuk dan pengambilan komponen perlu dilakukan dalam glovebox argon penuh atau lingkungan inert untuk mencegah penyerapan kelembapan dan oksidasi. Manajemen atmosfer yang stabil merupakan prasyarat untuk menekan penggetasan, menjamin konsistensi antar batch, serta memastikan tidak terjadi anomali pada perlakuan panas berikutnya.

5. Pascaproses dan Pengendalian Mikrostruktur

TiAl hasil LPBF umumnya masih memiliki pori tidak melebur dan cacat antar lapisan, sehingga memerlukan hot isostatic pressing atau HIP pada sekitar 1180–1250°C dan 150–200 MPa untuk menutup pori. Setelah itu, perlakuan panas diterapkan untuk memperoleh mikrostruktur lamelar α2+γ, sehingga kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan mulur dapat diseimbangkan. Perlakuan panas yang tepat dapat menstabilkan kekuatan tarik pada suhu ruang di kisaran 600–700 MPa dan pada 700°C di kisaran 700–800 MPa, sehingga memenuhi persyaratan komponen struktur penahan suhu tinggi.

6. Performa dan Aplikasi Umum

Komponen TiAl yang dioptimalkan melalui sinergi proses dan pascaproses telah menjalani validasi pemasangan pada bilah turbin tekanan rendah mesin pesawat, jet flap, dan komponen kompresor. Nilainya bukan terletak pada batas performa tunggal, melainkan pada kombinasi densitas yang berkurang sekitar setengah dan peningkatan ketahanan suhu. Pada suhu operasi yang sama, material ini dapat mengurangi bobot secara signifikan, sehingga meningkatkan rasio dorong terhadap berat dan efisiensi bahan bakar. Inilah logika utama manufaktur aditif dalam mendukung komponen suhu tinggi yang ringan.

Kesimpulan

Pembentukan γ-TiAl dengan LPBF merupakan rekayasa sistem yang melibatkan material, proses, dan pascaproses. Hanya dengan mengendalikan tiga aspek penting, yaitu jendela proses yang sempit, atmosfer inert, serta perlakuan HIP dan panas, material ringan bersuhu tinggi yang sulit diproses ini dapat diubah menjadi komponen struktur dirgantara yang dapat diproduksi secara batch dan divalidasi ulang. Bagi produsen yang mengejar pengurangan berat dan rasio dorong terhadap berat yang lebih tinggi, manufaktur aditif TiAl sedang bergerak dari riset menuju penerapan rekayasa nyata.