Super High Entropy Alloy untuk Material Tahan Peluru

Ditulis Oleh Fathan Bahfie

Aluminium adalah logam ringan yang memiliki sifat keuletan yang tinggi dan termasuk elemen paling berlimpah nomor 3 di dunia. Pemakaian aluminium yang bervariasi dan tergantung pada tipe atau kode yang terlabel pada material paduan aluminium. Dengan keuntungan ini, penggunaan aluminium sangat mudah dimanfaatkan menjadi paduan yang lebih memiliki nilai jual.

Berdasarkan data [1], penggunaan aluminium paling banyak pada pembuatan pintu, jendela, dan alat dapur. Oleh karena itu, hal ini diperlukan pengembangan lebih maju untuk paduan aluminium. Selain itu, pengembangan material untuk pertahanan seperti baja tahan peluru, selongsong peluru, dll sedang dibutuhkan oleh Indonesia sebagai peningkatan keamanan negara,

Dewasa ini, aluminium telah dikembangkan dengan mendesain material menjadi high entropy alloy sehingga memiliki sifat-sifat mekanik yang lebih baik dan menaikkan nilai jual dari aluminium. High entropy alloy atau HEA adalah sebuah material maju yang memiliki sedikitnya 5 elemen dengan rasio equimolar yang sama dan high mixing entropy dengan struktur solid solution yang sederhana [2]. High mixing entropy pada HEA dapat membantu untuk menstabilkan solid solution seperti FCC, BCC, atau struktur HCP).

Oleh karena efek tersebut di thermodinamika, efek dari lattice distortion pada strukturmikro, dan efek difusi yang lambat pada system dinamika material tersebut, HEA memiliki sifat-sifat mekanik yang luar biasa seperti kekuatan yang tinggi, ductility yang baik dan beberapa sifat yang menarik lainnya seperti tahan fracture, tahan gesek, dan korosi [3].

HEA sangat potensial diaplikasikan pada material mobil balap, pesawat terbang, pesawat ulangalik, kapal selam, reactor nuklir, alat pertahanan dan lain lain. Dewasa ini, HEA sudah mengalami perkembangan dengan memadukan material logam dan non-logam seperti Al0.4CoCu0.6NiSi karena silikon memiliki kemampuan stabilizer pada susunan atom akan tetapi komposisi dari silicon tidak bisa melebihi 7,4 persen berat [4-7]. Hal itu akan meningkatkan fase getas pada material sehingga mengurangi ductilitiy dari HEA.

Selain itu, HEA dapat dipadukan dengan rare earth element karena REE dapat meningkatkan sifat-sifat mekanik secara efisien . Menurut [8], penambahan yttrium pada system CoCrFeNi telah signifikan menaikkan kekuatan dan menurunkan ductility karena persen berat yttrium pada material yang berlebihan dengan indikasi perubahan strukturmikro dari FCC menjadi struktur dendrit. Hal ini harus sangat diperhatikan dalam jumlah persen berat pada HEA agar ductility pada material masih stabil.

Selain itu, ada 3 cara untuk mengontrol morfologi dan sifat-sifat mekanik pada material HEA yaitu perlakuan panas, penambahan karbon, dan magnetic field. Metode perlakuan panas dalam HEA memiliki kesamaan dengan metode-metode sebelumnya pada material baja, besi, dan paduan lainnya [9]. Metode ini dapat mengurangi beberapa masalah pada HEA seperti kinetika difusi yang lambat, lattice distortion yang kurang bagus, kemampuan solid solution sehingga dapat meningkatkan ketangguhan dan ductility. Secara khusus, komposisi yang kompleks dibentuk untuk membuat ikatan pada atom menjadi lambat pada proses difusi.

Dewasa ini, permasalahan tersebut menjadi tantangan untuk peneliti yang akan riset pada bidang HEA. Berdasarkan [10], Al0.5CrFeCoNiCu menunjukkan antara Cr yang kaya fasa s dan NiAl yang kaya fase B2 ketika proses annealing pada 973 K sampai 1173 K. Di sisi lain, efek dari quenching pada HEA yang masih dalam satu proses perlakuan panas dapat meningkatkan kekuatan dan elongation dan mengkombinasi fase menjadi dua jenis (butiran kecil presipitasi, BCC matriks dan presipitasi B2) sehingga material tersebut menjadi tangguh pada suhu 1200^oC [11].

Menurut [12], material HEA dapat ditingkatkan sifat-sifat mekanik dengan memodifikasi perlakuan panas dan penambahan karbon pada permukaan yang dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan sehingga menurunkan elongation material tersebut. Efek tersebut sangat tidak diinginkan terbentuk pada sifat-sifat mekanik HEA.

Di sisi lain, ada satu cara yang tanpa melakukan perlakuan fisika dan kimia yaitu menggunakan cara perlakuan magnet. Magnet menjadi salah satu alternatif dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik disebabkan oleh medan magnet kuat akan merubah struktur atom pada material sehingga sifat-sifat mekanik mengikuti perubahan tersebut. Hal ini dibuktikan oleh [13] bahwa perlakuan magnetik pada suhu kamar dapat merubah sifat mekanik dengan adanya dislocation pada batas butir FCC yang meningkatkan kekuatan dan menstabilkan elongation.

Oleh karena itu, penelitian ini akan menggunakan variasi micro-alloying REEs (Cerium dan Lanthanum) dalam material HEA (AlCuZrSi) dengan pelakuan panas dan magnet untuk menstabilkan strukturmikro sehingga mendapatkan ketangguhan dan elongation yang optimal. Material ini dapat diharapkan menjadi super high entropy alloy untuk menggantikan peran baja tahan peluru dengan sifat mekanik yang lebih baik dan mempunyai beban yang ringan. Penelitian ini akan diajukan pada TA 2020 program Insinas Ristekdikti.

Referensi

1. Hihara, Lloyd H.; Adler, Ralph P.I.; Latanision, Ronald M, Environmental Degradation of Advanced and Traditional Engineering Materials. CRC Press (2013).

2. Tsai, Ming-Hung; Yeh, Jien-Wei, High-entropy alloys: a critical review, Materials Research Letters (2014) 107–123.
3. Ye, YF; Wang, Q; Lu, J; Liu, CT; Yang, Y, High-entropy alloy: challenges and prospects, Materials Today (2016) 349–362.
4. L.L. Ma, C. Li, Y.L. Jiang, J.L. Zhou, L. Wang, F.C. Wang, T.Q. Cao, Y.F. Xue, Cooling rate-dependent microstructure and mechanical properties of AlxSi0.2CrFeCo-NiCu1-x high entropy alloys, J. Alloy. Comp. 694 (2017) 61-67.
5. X.T. Liu, W.B. Lei, L.J. Ma, J. Liu, J.L. Liu, J.Z. Cui, On the microstructures, phase assemblages and properties of Al0.5CoCrCuFeNiSix high-entropy alloys, J. Alloy. Comp. 630 (2015) 151-157.
6. J.M. Zhu, H.M. Fu, H.F. Zhang, A.M. Wang, H. Li, Z.Q. Hu, Synthesis and properties of multiprincipal component AlCoCrFeNiSix alloys, Mater. Sci. Eng. 527 (2010) 7210-7214.
7. Y. Liu, Y. Zhang, H. Zhang, N.J. Wang, X. Chen, H.W. Zhang, Y.X. Li, Microstructure and mechanical properties of refractory HfMo0.5NbTiV0.5Six highentropy composites, J. Alloy. Comp. 694 (2017) 869-876.
8. Joseph J. Licavoli, Michael C. Gao, John S. Sears, Paul D. Jablonski, Jeffrey A. Hawk, Microstructure and mechanical behavior of high-entropy alloys, Journal of Materials Engineering and Performance (2015) 3685-3698.
9. A. Munitz, S. Salhov, S. Hayun, N. Frage, Heat treatment impacts the micro-structure and mechanical properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy, Journal of Alloys and Compounds (2016) 31356-1.
10. A. Munitz, M.J. Kaufman, M. Nahmany, N.Derimow, R. Abbaschia, Microstructure and mechanical properties of heat treated Al1.25CoCrCuFeNi high entropy alloys, Materials Science & Engineering A (2017) 31689-1.
11. Margaret Wu, Zhiming Li, Baptiste Gault, Paul Munroe, Ian Baker, The effects of carbon on the phase stability and mechanical properties of heat-treated fenimncral high entropy alloys, Materials Science & Engineering A (2019) 30118-2.
12. Kun Zhang, Shaopeng Pan, Weiqi Tang, Yating Zhang, Bingchen Wei, Structural and bonding transformation of Al0.67CrCoCuFeNi high-entropy alloys during quenching, Journal of Alloys and Compounds (2018) 636-641.
13. Jun Wang, Yu Zhang, Houxiu Xiao, Liyuan Li, Hongchao Kou, Jinshan Li, A novel strategy for enhancing mechanical performance of Al0.5CoCrFeNi highentropy alloy via high magnetic field, Materials Letters (2018) 30008-4.