Chiara Bellamoli / KIT
Produksi paduan dengan fusi busur di laboratorium sintesis bahan KIT
Material tahan panas generasi baru menunjukkan potensi besar untuk aplikasi seperti turbin pesawat hemat energi.
Sebuah tim ilmuwan dari Institut Teknologi Karlsruhe (KIT), di Jerman, menciptakan liga kromium-molibdenum-silikon yang tahan terhadap panas ekstrim, tetap ulet dan tahan terhadap oksidasi, dan dapat menggantikan superalloy berbasis nikel, yang dibatasi pada suhu sekitar 1100°C.
Material baru ini dapat membuat turbin dan mesin jauh lebih efisien, sehingga menandai sebuah langkah penting menuju hal tersebut sistem energi yang lebih bersih dan kuat.
Os logam bersuhu tinggi mereka penting untuk menggerakkan mesin pesawat, turbin gas, sistem sinar-X, dan teknologi canggih lainnya. Di antara yang paling tahan terhadap panas adalah logam tahan api seperti tungstenmolibdenum dan kromium, semuanya dengan titik leleh sekitar atau di atas 2000 derajat Celcius (~3600 derajat Fahrenheit).
Meskipun memiliki toleransi panas yang luar biasa, logam-logam ini menghadirkan tantangan besar: rapuh pada suhu normal dan teroksidasi dengan cepat ketika terkena oksigen, menyebabkan kegagalan bahkan pada suhu 600 atau 700 derajat Celcius (~1100 hingga 1300 derajat Fahrenheit). Oleh karena itu, bahan ini hanya dapat digunakan di lingkungan vakum khusus, seperti anoda sinar-X yang berputar.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, para insinyur biasanya melakukan upaya superalloy berbahan dasar nikel untuk komponen yang harus tahan terhadap udara panas atau gas hasil pembakaran. Bahan-bahan ini adalah standar dalam turbin gas dan sistem suhu tinggi lainnya.
Hasil penelitian disajikan dalam a artikel baru-baru ini diterbitkan di majalah Alam.
“Superalloy yang ada terdiri dari banyak elemen logam yang berbeda, termasuk beberapa elemen yang jarang tersedia, untuk menggabungkan beberapa sifat. Mereka ulet pada suhu kamar, stabil pada suhu tinggi dan tahan terhadap oksidasi”, jelasnya Martin Heilmaier, peneliti di Institute of Applied Materials di KIT, in penyataan.
“Namun – dan inilah masalahnya – suhu pengoperasian, yaitu suhu di mana bahan-bahan tersebut dapat digunakan dengan aman, berada di dalam berkisar hingga maksimum 1100 derajat Celcius“, tambahnya.
“Ini terlalu rendah untuk memanfaatkan potensi penuh efisiensi yang lebih besar pada turbin atau aplikasi suhu tinggi lainnya. Faktanya adalah efisiensi dalam proses pembakaran meningkat seiring suhu”, jelas peneliti.
Sebuah lompatan teknologi
Menyadari batas kinerja ini, tim Heilmaier berupaya mencarinya solusi barudan mengembangkan paduan logam baru, yang menggabungkan kromium, molibdenum dan silikon.
Superalloy logam tahan api ini, yang penemuannya Alexander Kauffmanyang saat ini menjadi profesor di Universitas Ruhr di Bochum, memainkan peran mendasar, hadiah properti yang belum pernah dilihat sebelumnya.
“Ini ulet pada suhu kamar, titik lelehnya sangat tinggi berapa banyak tentang 2000 °C. Selain itu, tidak seperti paduan tahan api yang dikenal sampai saat ini, hanya teroksidasi secara perlahanbahkan dalam kisaran suhu kritis,” jelas Kauffman.
“Ini membuka kemungkinan memproduksi komponen yang sesuai untuk suhu pengoperasian jauh di atas 1100 °C. Dengan demikian, hasil penelitian kami berpotensi memungkinkan lompatan teknologi yang sesungguhnya“, tegas Kauffmann.
Hal ini terutama penting karena ketahanan dan keuletan oksidasi masih ada tidak dapat diprediksi secara memadai untuk memungkinkan desain material yang ditargetkan – meskipun terdapat kemajuan besar dalam pengembangan material berbantuan komputer.
“Dalam turbin, kenaikan suhu hanya 100 derajat Celcius saja bisa mengurangi konsumsi bahan bakar sekitar lima persen“, penjelasan Heilmaier.
“Yaitu sangat relevan dengan penerbangankarena pesawat bertenaga listrik kemungkinan besar tidak cocok untuk penerbangan jarak jauh dalam beberapa dekade mendatang. Oleh karena itu, pengurangan konsumsi bahan bakar secara signifikan akan menjadi isu penting”, tambahnya.
“Dengan penemuan kami, kami telah mencapai tonggak penting. Kelompok penelitian di seluruh dunia kini dapat memanfaatkan pencapaian ini”, peneliti menyimpulkan.
