Paduan Ti-Al Revolusioner – Pengubah Permainan untuk Eksplorasi Luar Angkasa

Ruang angkasa sangat luas, begitu sampai sulit untuk dibayangkan bahwa. Hanya alam semesta yang dapat diamati memiliki diameter setidaknya 93 miliar tahun cahaya. 

Meskipun begitu, kami terus mendorong batas eksplorasi luar angkasa, dan seiring berjalannya waktu, terobosan terus muncul. 

Dalam salah satu kemajuan terbaru tersebut, peneliti menciptakan paduan superelastik yang inovatif. Paduan superelastik berbasis titanium-aluminium (Ti-Al) ini juga ringan dan kuat, menawarkan kemampuan unik yang memungkinkannya berfungsi pada rentang suhu yang luas.

Menurut studi yang dipublikasikan di Nature¹, paduan superelastik ini dapat menangani suhu setinggi +127°C dan serendah -269°C, menunjukkan potensi besarnya dalam berbagai aplikasi, termasuk teknologi medis dan eksplorasi luar angkasa dalam.

“Paduan ini adalah yang pertama dalam jenisnya yang dapat mempertahankan superelastisitas pada rentang suhu ekstrem seperti itu sekaligus tetap ringan dan kuat, yang membuka berbagai aplikasi praktis yang sebelumnya tidak memungkinkan.”

– Sheng Xu, Asisten Profesor di Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Universitas Tohoku

Properti baru material ini, kata Xu, menjadikan paduan ini ideal untuk misi luar angkasa masa depan seperti “membuat ban superelastik untuk rover bulan agar dapat menavigasi fluktuasi suhu ekstrem di permukaan Bulan.”

Fleksibilitas paduan berbasis Ti-Al pada suhu sangat rendah, khususnya, juga menjadikannya material menjanjikan untuk aplikasi dalam Masyarakat Hidrogen yang akan datang serta industri lainnya. Selain itu, material ini dapat digunakan dalam aplikasi sehari-hari yang memerlukan fleksibilitas, seperti perangkat medis seperti stent.

Jadi, paduan baru ini benar‑benar mengubah permainan di banyak industri dengan mengatasi keterbatasan yang dihadapi sebagian besar paduan memori bentuk (SMA) yang ada. Material‑material ini, yang mampu kembali ke bentuk semula setelah gaya dihapus, menawarkan kekuatan dan ketangguhan tetapi memiliki rentang suhu tertentu.

Berbeda dengan mereka, paduan berbasis Ti-Al yang baru memiliki rentang suhu operasional yang luas, melampaui titik didih air dan suhu helium cair.

Dengan cara ini, paduan tersebut menawarkan aplikasi yang luas di bidang yang memerlukan material dengan kekuatan dan fleksibilitas luar biasa.

Untuk ini, tim riset di Universitas Tohoku, Jepang, menggunakan teknik canggih seperti desain paduan rasional dan kontrol mikrostruktur yang tepat. Mereka juga menggunakan diagram fase untuk memilih komponen paduan dan proporsinya. Dengan mengoptimalkan metode pemrosesan dan perlakuan panas, peneliti berhasil mencapai sifat material yang diinginkan.

“Penemuan ini tidak hanya menetapkan standar baru untuk material superelastik tetapi juga memperkenalkan prinsip baru untuk desain material, yang pasti akan menginspirasi terobosan lebih lanjut dalam ilmu material.”

– Xu mengatakan sambil mencatat implikasi studi ini, yang melampaui aplikasi praktis segera

Mengatasi Keterbatasan

Paduan telah ada sejak zaman kuno, dan penggunaannya sekarang terlihat di hampir semua aspek kehidupan modern.

Ini hanyalah campuran dari dua atau lebih logam atau logam dengan unsur non‑logam lainnya. Mencampur dua logam memberikan paduan karakteristik tak terduga, seperti kekuatan yang lebih besar dibandingkan logam‑logam penyusunnya secara individual.

Hal ini karena setiap zat dalam paduan memberikan sifatnya sendiri pada campuran. Melalui kimia yang cermat, rasio tepat diciptakan untuk menghasilkan zat dengan sifat unik.

Sementara sifat fisik paduan, seperti densitas dan konduktivitas, mungkin tidak berbeda jauh dari unsur yang dibuat darinya, sifat tekniknya, seperti kekuatan, menjadikan paduan logam sangat diminati dalam berbagai industri, termasuk elektronik, manufaktur, dirgantara, dan otomotif.

Contoh populer paduan adalah baja, yang dibuat dengan mencampur unsur logam, besi, dengan sejumlah kecil unsur non‑logam, karbon. Biaya rendah dan kekuatan tarik tinggi baja membuatnya banyak dipakai dalam infrastruktur dan konstruksi.

Contoh umum lainnya adalah kuningan, yang merupakan paduan dua logam — tembaga dan seng. Titik leleh rendah dan daya tahan tinggi menjadikannya populer dalam aplikasi seperti bantalan, kunci, komponen peralatan, dan komponen amunisi. Jadi, paduan sangat bermanfaat dan memiliki aplikasi yang luas. 

Sekarang, material logam yang memiliki kapasitas deformasi elastis signifikan tanpa retak atau terpengaruh plastisitas sangat penting untuk aplikasi dunia nyata yang memerlukan penanganan tekanan. Material semacam itu juga dapat membuka jalan bagi modifikasi sifat kimia atau fisik yang terkait regangan.

Namun tentu saja, kebanyakan material logam hanya dapat menahan regangan elastis kecil, kurang dari 0,5%. 

Di sinilah paduan memori bentuk seperti Ni‑Ti muncul sebagai solusi dengan menunjukkan regangan dapat dipulihkan besar sekitar 10% berkat transformasi fase reversibel, yang dikenal sebagai superelastisitas. Superelastisitas ini memungkinkan sistem paduan tertentu seperti Cu‑Al‑Ni menunjukkan regangan dapat dipulihkan lebih besar, lebih dari 17%.

Di antara paduan memori bentuk (SMA), paduan berbasis titanium menawarkan kombinasi kuat fleksibilitas mekanik, ketahanan korosi, dan keterjangkauan, yang menjadikannya menjanjikan untuk berbagai aplikasi.

Sementara paduan memori bentuk berbasis Ti biasanya dikembangkan dengan menambahkan sejumlah besar unsur yang lebih padat seperti zirkonium (Zr) atau Niobium (Nb) untuk menstabilkan fase beta pada suhu kamar, hal ini mengorbankan sifat ringan mereka sementara superelastisitasnya sudah cukup rendah, kurang dari 3%.

Untuk mengatasi keterbatasan ini, unsur yang lebih ringan lagi, Al, dimasukkan ke dalam Ti untuk menyeimbangkan antara berat rendah dan sifat mekanik yang kuat. Di sini, paduan Ti‑6Al‑4V yang banyak digunakan terutama dibuat sebagai bahan struktural ringan dan, kadang‑kala, untuk aplikasi suhu tinggi. Namun, mereka tidak menunjukkan sifat superelastik. 

Jadi, tim riset meneliti diagram fase biner Ti‑Al secara cermat dan, berdasarkan itu, mengikuti pedoman termodinamika untuk memasukkan kurang dari 5 at% Cr ke dalam matriks Ti‑Al. Mereka kemudian menstabilkan fase beta pada suhu kamar melalui pendinginan cepat dari suhu tinggi. 

Sebagai hasilnya, peneliti berhasil mensintesis paduan berbasis Ti‑Al baru dengan sifat kuat terhadap perubahan suhu.

Potensi Besar dalam Eksplorasi Luar Angkasa 

Aplikasi canggih seperti dirgantara dan eksplorasi luar angkasa memerlukan material yang menyeimbangkan ringan, fungsionalitas, dan ketahanan terhadap fluktuasi termal ekstrem. Sementara SMA menunjukkan potensi tinggi dengan daya tahan, kekokohan, dan pemulihan regangan signifikan berkat superelastisitas, menjaga massa rendah mereka dan beroperasi secara efektif pada suhu sangat rendah tetap menantang. 

Jadi, tim memperkenalkan paduan baru Ti‑Al‑Cr, yang memenuhi standar ketat. Kebanyakan terdiri dari Ti dan A, paduan ini memiliki densitas rendah (4,36 × 10³ kg m⁻³) dan kekuatan spesifik tinggi (185 × 10³ Pa m³ per kg) pada suhu lingkungan sambil menunjukkan superelastisitas kuat. 

Faktanya, superelastisitasnya memungkinkan regangan dapat dipulihkan melebihi 7%, yang tetap konsisten pada rentang suhu luas—dari kriogenik dalam 4,2 K hingga di atas suhu kamar—menjadikannya menjanjikan untuk peralatan sehari‑hari maupun kondisi lingkungan ekstrem.

Berbeda dengan mayoritas SMA yang menunjukkan superelastisitas sekitar suhu kamar, paduan baru ini tidak mengalami transformasi martensitik yang dipicu termal (peralihan fase di mana material padat mengubah struktur kristalnya tanpa mengubah komposisi kimia) bahkan setelah pendinginan signifikan.

Saat mengeksplorasi superelastisitasnya pada berbagai suhu, tim menemukan paduan Ti‑Al‑Cr menunjukkan pemulihan superelastik lengkap pada rentang 4,2 hingga 400 K. 

Studi mencatat bahwa paduan memori bentuk Ti‑Al‑Cr yang baru dibuat, bagian dari keluarga paduan Ti yang kuat, ringan, tahan korosi, dan biokompatibel, menjanjikan banyak aplikasi karena superelastisitasnya yang mencakup rentang suhu luas. 

Sebagai contoh, dalam misi antarbintang seperti Artemis I, yang merupakan misi tak berawak pertama NASA ke Bulan sejak program Apollo, paduan baru dapat digunakan untuk menciptakan material logam yang dapat menahan kondisi keras luar angkasa sambil mempertahankan kinerjanya, yang merupakan kendala teknologi utama. 

Sementara ilmuwan NASA telah merancang ban superelastik Ni‑Ti untuk misi Bulan dan Mars mendatang sebagai solusi, bahkan mereka memiliki keterbatasan dalam rentang suhu operasional.

Masalahnya, misi‑misi ini membutuhkan kendaraan permukaan yang mampu eksplorasi planet jarak jauh, yang memerlukan pendekatan berbeda dibandingkan kendaraan Bumi yang menggunakan ban pneumatik karet konvensional.

Ini berarti ban harus menahan fluktuasi suhu ekstrem Bulan, yang berkisar dari −173 °C hingga 127 °C. Selain suhu, mereka juga harus menahan radiasi matahari intens dan risiko deflasi katastrofik. 

Oleh karena itu, Superelastic Tire memasukkan paduan memori bentuk nitinol ke dalam desain untuk mengatasi keterbatasan desain ban asli misi Apollo, yang memiliki daya tahan terbatas karena rentang deformasi elastis logam tradisional yang kecil. Namun, paduan nitinol yang sukses secara komersial memiliki jendela suhu superelastik terbatas kurang dari 80 °C.

Di sini, “paduan baru memiliki harapan besar untuk membuat Ban Superelastik generasi berikutnya,” kata Xu, mencatat potensinya yang solid untuk eksplorasi ruang angkasa dalam dan eksplorasi laut dalam. 

Selain itu, material baru juga dapat digunakan untuk aplikasi yang lebih aman dan lebih hemat energi serta aplikasi medis.

Tidak hanya material ringan ini memiliki kemampuan luar biasa untuk kembali ke bentuk semula pada suhu yang luas, tetapi seperti yang dicatat tim, unsur Al dan Cr juga melimpah dan memiliki biaya lebih rendah dibandingkan Ni dan Nb. Komposisi sederhana paduan baru dapat lebih lanjut mengurangi dampak lingkungan selama metalurgi ekstraktif dan produksi skala besar, tambah peneliti.

Penelitian menyatakan:

“Dengan berbagai aplikasi potensial, serta kemampuan produksi massal menggunakan proses manufaktur metalurgi yang ada yang dikembangkan untuk Ti‑64, paduan memori bentuk Ti‑Al‑Cr yang ringan namun kuat membuka peluang baru untuk memajukan studi dan penggunaan material multifungsi ringan.”

Berinovasi di Dalam Bidang

ATI Inc

(ATI )

Sekarang, jika kita melihat perusahaan investasi yang relevan, ATI (NYSE: ATI) adalah nama paling menonjol yang membuat banyak kemajuan di sini. Perusahaan ini menangani tantangan paling sulit di dunia melalui ilmu material

ATI adalah produsen material dan komponen berkinerja tinggi untuk pasar pertahanan dan dirgantara global serta untuk sektor elektronik, medis, dan energi khusus. Dengan bantuan materialnya, perusahaan dapat menciptakan produk yang terbang lebih tinggi dan lebih cepat, lebih kuat, lebih tahan lama, terbakar lebih panas, dan menyelam lebih dalam.

Di sektor dirgantara, ATI memasok aloinya dalam berbagai produk mil, penempaan, pengecoran titanium, dan komponen mesin. Selain titanium, produk & komponennya juga mencakup niobium, baja tahan karat & khusus, serta superalloy bubuk.

Sektor pertahanan, yang melayani departemen pertahanan pemerintah, kontraktor pertahanan, dan pembuat komponen, memiliki material khusus yang mencakup aloi titanium untuk armor, aplikasi kekuatan tinggi, dan suhu tinggi. Material lain termasuk aloi berbasis nikel, tungsten, zirkonium, hafnium, dan niobium, bersama dengan baja keras tinggi, ganda‑keras tinggi, ultra‑keras tinggi, dan baja tahan karat.

ATI juga menyediakan material dan komponen untuk ruang medis, pasar elektronik konsumen yang berkembang, dan penyedia energi, mencakup industri surya, nuklir, batu bara, minyak & gas, serta kimia & pengolahan hidrokarbon (CPI/HPI).

Dengan kapitalisasi pasar $8,22 miliar, saham ATI diperdagangkan pada $58,36 pada saat penulisan, naik 5,63% YTD. Menurut CNBC, perusahaan memiliki EPS (TTM) 2,55, P/E (TTM) 22,66, dan ROE (TTM) 22,82%.

Mengenai keuangan perusahaan, untuk kuartal terbaru, Q4 2024, dilaporkan penjualan $1,2 miliar, meningkat 10% dari 4Q23. Dirgantara dan pertahanan menyumbang 65% dari total tersebut. 

Penjualan aerospace & defense yang lebih tinggi dari mesin jet komersial generasi berikutnya dan produk rangka pesawat sebenarnya membantu penjualan HPMC ATI naik $81,8 juta. Segmen High‑Performance Materials & Components (HPMC) memproduksi beragam material, termasuk aloi berbasis nikel, aloi berbasis kobalt, aloi berbasis titanium, titanium, superalloy, aloi bubuk canggih, dan material khusus lainnya.

Sementara penjualan segmen AA&S meningkat $39,7 juta pada kuartal tersebut, didorong tidak hanya oleh penjualan aplikasi pertahanan dan produk mesin jet komersial generasi berikutnya tetapi juga oleh pertumbuhan di pasar energi khusus dan medis. Segmen Advanced Alloys & Solutions (AA&S) memproduksi aloi berbasis nikel, aloi titanium dan berbasis titanium, serta aloi khusus.

Menurut CEO Kimberly A. Fields, yang memperkirakan permintaan kuat akan berlanjut tahun ini:

“Hasil kuartal keempat kami menunjukkan fundamental bisnis yang kuat saat kami memenuhi peningkatan permintaan pelanggan.”

Secara mencolok, untuk tahun penuh, penjualan ATI mencapai $4,4 miliar, angka tertinggi dalam dua belas tahun. Sementara itu, arus kas operasi sebesar $407 juta, dan arus kas bebas $248 juta, naik 50% dari tahun sebelumnya.

Mengenai laba bersih perusahaan pada kuartal tersebut, tercatat $137 juta atau $0,94 per saham. Laba bersih yang disesuaikan per saham adalah $0,79.

ATI juga membeli kembali saham senilai $70 juta selama periode ini, dan total otorisasi pembelian kembali saham, per 29 Desember 2024, yang tersisa di bawah program pembelian kembali saham berotorisasi $700 juta adalah $590 juta.

Pada akhir tahun, perusahaan memiliki kas $721 juta, dengan Fields mencatat:

“Kami tetap berkomitmen untuk menyalurkan modal secara efisien guna menangkap peluang pertumbuhan dan mengembalikan modal kepada pemegang saham kami.” 

Dalam setahun terakhir, perusahaan melaporkan pengeluaran $239 juta untuk belanja modal guna meningkatkan kapasitas dan kemampuan sambil menghasilkan lebih dari $65 juta hasil kas dari penjualan aset non‑inti, yang akan dipergunakan kembali ATI sebagai bagian dari strategi keandalan dan penghilangan bottleneck.

“Kami percaya ATI sangat berada pada posisi yang baik untuk kinerja kuat berkelanjutan yang akan mendorong pertumbuhan dan nilai pada 2025 dan seterusnya,” kata CEO sambil menekankan fokus perusahaan pada “tetap gesit” saat rantai pasokan menormalkan dan ketidakpastian geopolitik berkembang, termasuk perubahan kebijakan perdagangan global. “Dengan permintaan sangat kuat di pasar akhir kami, kami yakin kami berada pada posisi untuk memberikan pertumbuhan dan ekspansi margin pada 2025 dan seterusnya,” tambah Fields.

Di tengah semua ini, ATI merayakan peluncuran fasilitas Produk Manufaktur Aditifnya bulan lalu. Dengan mengintegrasikan kemampuan manufaktur aditif logam berformat besar secara online, perusahaan menempatkan desain, pemesinan, pencetakan, perlakuan panas, dan inspeksi dalam satu tempat.

Ini akan memberi ATI kemampuan memproduksi komponen sangat kompleks dengan kecepatan lebih tinggi dan limbah lebih sedikit. Dengan kombinasi ilmu material dan produksi manufaktur aditif, perusahaan juga akan dapat menyediakan produksi berkualitas tinggi secara skala. 

Bechtel Plant Machinery Inc. telah memberikan ATI kontrak pertama untuk diproduksi di fasilitas baru untuk solusi bagian rekayasa tinggi mendukung Program Propulsi Nuklir Angkatan Laut AS.

“Dari desain hingga produk jadi, kami telah membentuk kekuatan utama yang memecahkan tantangan paling sulit pelanggan kami untuk pasar paling menuntut—dirgantara, pertahanan, dan ruang.” 

– Fields

Terbaru tentang ATI Inc.

Kesimpulan

Eksplorasi luar angkasa adalah kunci untuk memahami alam semesta dan meningkatkan kehidupan di Bumi. Oleh karena itu, minat dari lembaga pemerintah dan perusahaan swasta terus berkembang.

Ini, bersama dengan eksplorasi penyimpanan gas cair untuk netralitas karbon masa depan, telah menciptakan permintaan mendesak akan material struktural dan fungsional ringan yang dapat bekerja di kondisi ekstrem. 

Untuk memenuhi permintaan tersebut, peneliti telah mengembangkan paduan superelastik berbasis titanium‑aluminium yang merupakan kemajuan signifikan dalam ilmu material.

Dipenuhi dengan sifat kuat seperti kekuatan luar biasa dan fleksibilitas melintasi suhu ekstrem, paduan baru ini menawarkan harapan besar untuk aplikasi di lingkungan ekstrem seperti dirgantara dan medis. Namun, masih banyak yang harus dilakukan dalam integrasi paduan ini ke produk, yang mungkin memakan waktu antara 4 hingga 7 tahun.​

Namun seiring penelitian dan pengembangan terus berlanjut, kemajuan dalam ilmu material dan integrasinya ke aplikasi praktis dapat mendorong inovasi di berbagai industri, membuka jalan bagi kemajuan teknologi dan masa depan yang lebih baik!

Klik di sini untuk daftar saham aerospace dan pertahanan teratas.