Selama ribuan tahun, hampir semua paduan logam dirancang dengan satu cara: ambil satu logam utama, lalu tambahkan sedikit unsur lain. Baja berbasis besi, paduan aluminium berbasis aluminium, kuningan berbasis tembaga. Sejak awal 2000-an, para peneliti mencoba pendekatan yang sama sekali berbeda: mencampur lima unsur atau lebih dalam proporsi yang hampir setara. Hasilnya adalah kelompok material yang disebut high-entropy alloy (HEA), salah satu bidang riset metalurgi paling aktif saat ini.
Apa Itu High-Entropy Alloy
HEA umumnya didefinisikan sebagai paduan yang terdiri atas lima unsur utama atau lebih, masing-masing dengan kadar sekitar 5 hingga 35 persen atom. Tidak ada satu unsur pun yang mendominasi. Contoh paling terkenal adalah paduan Cantor, campuran kobalt, kromium, besi, mangan, dan nikel dalam proporsi setara.
Intuisi awal mengatakan campuran sebanyak itu akan membentuk banyak senyawa intermetalik yang getas. Ternyata, pada komposisi tertentu, unsur-unsur ini justru membentuk satu fase larutan padat sederhana, misalnya kisi kubus berpusat muka (FCC) atau kubus berpusat badan (BCC).
Empat Efek Inti
Para peneliti biasanya menjelaskan perilaku HEA lewat empat efek:
Efek entropi tinggi. Banyaknya unsur dalam proporsi setara meningkatkan entropi konfigurasi, yang membantu menstabilkan fase larutan padat, terutama pada suhu tinggi.
Distorsi kisi yang besar. Atom dengan ukuran berbeda-beda membuat kisi kristal terdistorsi, sehingga dislokasi lebih sulit bergerak dan material menjadi lebih kuat.
Difusi yang lambat. Pergerakan atom di dalam kisi yang tidak seragam cenderung lebih lambat, membantu menjaga stabilitas struktur mikro pada suhu tinggi.
Efek koktail. Sifat akhir paduan merupakan hasil gabungan unsur penyusunnya, yang kadang memunculkan sifat yang tidak dimiliki unsur mana pun secara terpisah.
Sebagian ilmuwan mempertanyakan seberapa besar peran masing-masing efek ini, dan perdebatan itu masih berlangsung. Namun data eksperimen menunjukkan sejumlah HEA memang memiliki kombinasi sifat yang menarik.
Sifat yang Menjanjikan
Ketangguhan pada suhu sangat rendah. Paduan Cantor dikenal memiliki ketangguhan patah yang sangat tinggi dan justru semakin kuat pada suhu kriogenik, menjadikannya kandidat untuk tangki gas cair dan aplikasi suhu ekstrem.
Ketahanan suhu tinggi. Refractory HEA yang tersusun dari unsur bertitik lebur tinggi seperti niobium, molibdenum, tantalum, dan tungsten diteliti untuk komponen turbin dan aplikasi yang melampaui batas superalloy nikel.
Ketahanan aus dan korosi. Beberapa komposisi menunjukkan ketahanan aus dan korosi yang baik, sehingga diteliti sebagai bahan pelapis.
Tantangan Memproduksi HEA lewat Pengecoran
Di laboratorium, HEA biasanya dibuat dalam jumlah kecil dengan peleburan busur listrik dalam atmosfer argon, lalu dilebur ulang beberapa kali agar homogen. Membawanya ke skala industri lewat pengecoran menghadapi beberapa hambatan:
Segregasi. Unsur dengan titik lebur berbeda membeku pada waktu yang berbeda, sehingga komposisi dendrit dan daerah antar-dendrit tidak seragam. Pada coran besar dengan laju pendinginan lambat, segregasi ini semakin parah dan biasanya memerlukan perlakuan homogenisasi panjang pada suhu tinggi.
Rentang beku yang lebar. Banyak HEA membeku dalam rentang suhu yang lebar, yang meningkatkan risiko porositas susut dan hot tearing.
Reaktivitas dan kebersihan logam. Unsur seperti kromium, aluminium, dan unsur refraktori mudah teroksidasi, sehingga peleburan sering membutuhkan vakum atau atmosfer pelindung untuk mencegah inklusi oksida.
Biaya bahan baku. Kobalt, nikel, dan unsur refraktori harganya tinggi. Ini menjadi alasan riset mulai bergeser ke HEA berbasis unsur yang lebih murah, misalnya dengan mengurangi atau menghilangkan kobalt.
Eutectic HEA: Dirancang agar Mudah Dicor
Salah satu jawaban atas masalah pengecoran adalah eutectic high-entropy alloy (EHEA). Paduan ini dirancang memiliki komposisi eutektik, sehingga membeku pada satu suhu, mirip paduan aluminium-silikon eutektik yang terkenal mudah dicor. Hasilnya adalah fluiditas yang baik, segregasi yang lebih rendah, dan struktur mikro berlapis halus dari dua fase yang menggabungkan kekuatan dan keuletan. Contoh yang sering diteliti adalah paduan berbasis aluminium, kobalt, kromium, besi, dan nikel. Pendekatan ini menunjukkan bahwa kemampuan cor bisa dijadikan kriteria sejak tahap desain paduan.
Peran Komputasi dan Manufaktur Aditif
Jumlah kemungkinan komposisi HEA sangat besar, sehingga mustahil diuji satu per satu. Karena itu riset HEA banyak memanfaatkan perhitungan termodinamika (CALPHAD) dan desain paduan berbasis machine learning untuk menyaring kandidat. Di sisi produksi, additive manufacturing menjadi jalur menarik, karena laju pendinginan yang sangat cepat dapat menekan segregasi yang sulit dihindari pada pengecoran konvensional.
Masih Panjang Menuju Industri
HEA belum menggantikan paduan konvensional dalam skala besar. Biaya, data jangka panjang tentang kelelahan dan creep, serta standar material yang belum mapan masih menjadi hambatan. Namun HEA telah mengubah cara pandang metalurgi terhadap desain paduan: ruang komposisi di “tengah” diagram fase, yang dulu jarang dijelajahi, ternyata menyimpan banyak kemungkinan. Bagi industri pengecoran, pengembangan EHEA dan HEA berbiaya rendah adalah perkembangan yang patut diikuti dalam beberapa tahun ke depan.
