Perhitungan Residual Stress Akibat Thermal Spray pada High Temperature Resistant Ceramic Metal Superalloy

Transkripsi

1 Perhitungan Residual Stress Akibat Thermal Spray pada High Temperature Resistant Ceramic Metal Superalloy Hartanto Tanadi *, Prof. Dr. Ir. Sulistijono, DEA, Hariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si. ** *Mahasiswa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS **Dosen Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS ABSTRAK High temperatur resistance ceramic metal superalloys merupakan paduan super NiCoCrAlY yang memiliki ketahanan pada temperatur tinggi. Namun aplikasi paduan super ini dilakukan pengembangan dengan menggunakan pelapisan, yang disebut thermal barrier coating ( TBC ). Sistem Thermal Barrier Coating yang terdiri atas Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) sebagai top coat dan NiCoCrAlY sebagai bond coat. Dalam penelitian ini bond coat dan top coat dideposisikan pada logam induk dengan menggunakan proses thermal spraying. sehingga pelapisan dilakukan pada temperatur dan tekanan yang tinggi. Oleh karena itu akan diukur residual stress yang terjadi pada material akibat dari thermal spray.residual stress diukur dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) serta analisa lanjut pengukuran melalui permodelan rietveld dengan menggunakan program rietica. Pengujian dilakukan pada tiap kedalaman 50 pada top coat. Kata Kunci: NiCoCrAlY, Termal spray, XRD, Residual stress. ABSTRACT High temperature resistance ceramic metal superalloys is NiCoCrAlY super alloys that have resistance to high temperatures. Hence that it is development by using coatings, called thermal barrier coating (TBC). Thermal Barrier Coating System consisting of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) as a top coat and NiCoCrAlY as a bond coat. In this study the bond coat and top coat are depositioned on the metal using thermal spraying process. Hence the coating performed at high temperatures and high pressures. The residual stress of material will be measured as the result of the thermal spray. The residual stress of material will be measured by using XRD (X-Ray Difraction) and measurements analysis through modeling Rietveld using rietica program. Testing is done at each depth 50 on top coat. Keywords: NiCoCrAlY, Termal spray, XRD, Residual stress. BAB I. PENDAHULUAN Pemakaian material pada temperatur tinggi sebagai contoh, untuk pemakaian sebagai bilah turbin (turbine blade) pada mesin pada mesin turbin gas yang dapat mencapai temperatur 1200 o C dengan tegangan luar yang tinggi, maka material yang digunakan paling tidak harus memiliki kombinasi sifat-sifat seperti titik leleh yang tinggi, kekuatan pada temperatur tinggi (high temperature strength), ketahanan perayapan (creep resistance), ketangguhan (toughness), ketahanan lelah (fatigue resistance), ketahanan korosi temperatur tinggi (high temperature corrosion), dan kestabilan struktur mikro (microstructural stability). High temperatur resistance ceramic metal superalloy merupakan paduan super NiCoCrAlY yang memiliki ketahanan pada temperatur tinggi. Namun aplikasi nya dilakukan pengembangan dengan menggunakan pelapisan, yang disebut thermal barrier coating ( TBC ). Sistem ini terdiri atas ceramic top coat dan bond coat. 1

2 Lapisan atas keramik berfungsi untuk memberi ketahanan panas dan bond coat berfungsi sebagai pelindung substrat dari serangan oksigen serta menurunkan koefisien ekspansi panas antara keramik dan substrat. Kegagalan pada lapisan TBC bisa disebabkan banyak faktor antara lain karena adanya tegangan sisa yang terjadi pada benda uji sebelum diaplikasikan. Tegangan ini dapat disebabkan karena pada proses thermal spray serbuk disuntikkan dalam gas yang sangat panas dan disemprotkan dengan kecepatan tinggi. Untuk itu diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai residual stress akibat dari thermal spray. 2.3 Diagram Alir Percobaan Start Preparasi Uji X-RD Pengujian XRD Analisa Rietveld Analisa data Dan pembahasan BAB II. METODOLOGI Adapun rancangan dan prosedur percobaan dapat dijelaskan sebagai berikut: 2.1 Material Uji a. Substrat NiCoCrAlY b. Bond coat yang berbentuk serbuk dengan komposisi kimia sebagai berikut Tabel 2.1 %Berat Co Ni Cr Al Y C 8% serbuk Al Balance 32,2 20,7 8,27 0,281 0,012 c. Serbuk keramik, 8 YSZ (8% Yttria Stabilized Zirconia) 2.2 Peralatan Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : a. Peralatan potong b. Mikrometer c. Amplas d. Peralatan Pengujian - XRD Kesimpulan End BAB III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengamatan Makro Pada penelitian ini dilakukan pengamatan visual terhadap top coat. Hasil pengamatan secara visual dapat diketahui bentuk permukaannya sedikit bergelombang dan tidak halus. Begitu juga dengan warna spesimen berwarna putih kekuning-kuningan dengan sedikit bintik-bintik hitam di permukaannya. Kondisi ini diakibatkan sebelum dilakukan pelapisan dengan proses plasma spray, dilakukan grit blasting pada substrat guna mendapatkan daerah permukaan yang memungkinkan terjadi ikatan antara substrat/bond coat dan bond coat/top coat. Dimana bond coat NiCoCrAlY dan top coat keramik 8YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) berupa partikel serbuk yang disemprotkan pada temperatur tinggi dengan kecepatan yang tinggi pula, akibatnya permukaan spesimen tidak rata. 2

3 3.2 Hasil Pengujian Difraksi Sinar X Pengujian difraksi sinar X dilakukan pada material Superalloy (NiCoCrAlY) dengan variasi kedalaman. Pengukuran dilakukan pada whole patternya 2θ = 20º - 90º, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 intensitas Gambar 3.1 Kurva hasil pengujian XRD dengan variasi kedalaman. Berdasarkan hasil pengujian difraksi sinar X pada lapisan top coat material Superalloy (NiCoCrAlY) yang terlihat pada Gambar 3.1 diperoleh indikasi terbentuknya fasa ZrO2 dengan struktur kristal tetragonal, dengan nomor PDF Pengujian XRD dilakukan pada lapisan top coat setiap kedalaman 50. Secara keseluruhan pengujian difraksi menunjukkan pola yang hampir sama. Namun hasil analisis pola puncak difraksi menunjukkan pelebaran kurva seperti ditunjukkan pada Gambar intensitas Gambar 3.2 kedalaman 0 kedalaman theta kedalaman 0 kedalaman 50 kedalaman 100 kedalaman theta Kurva hasil pengujian XRD dengan variasi kedalaman pada sudut pendek. Pada tiap kedalaman terdapat pergeseran puncak tetapi tidaklah significant,sehingga fasa yang terbentuk dianggap sama. Tetapi terlihat adanya perubahan lebar puncak, dapat dilihat semakin dalam kedalaman maka lebar puncak yang terbentuk semakin besar pula. Perubahan lebar puncak ini menandakan adanya parameter bentuk yang berubah pula, ini dapat disebabkan karena semakin dalam kedalaman maka terdapat tegangan yang diakibatkan gaya tarik menarik antara top coat dan bond coat. 3.3 Analisa Profile Fitting Lebar puncak yang terlihat pada gambar diatas tidak cukup digunakan sebagai pedoman untuk menganalisa, oleh karena itu perlu digunakan program profile fitting untuk mendapatkan nilai FWHM. Tabel 3.1 Perbandingan lebar setengah puncak (FWHM) pada puncak tertinggi. Kedalaman 2θ Intensitas FWHM (micrometer) FWHM pada setiap perlakuan juga mengalami perubahan. FWHM terbesar terjadi pada kedalaman 150 dengan nilai sedangkan FWHM terkecil terjadi pada kedalaman 0 dengan nilai Variasi kedalaman telah mengakibatkan perubahan lebar puncak yang mengindikasikan adanya perubahan ukuran kristal,regangan sisa,dan tegangan sisa. Hal ini sesuai dengan yang dijelaskan Sugondo (2007) bahwa pelebaran puncak disebabkan oleh regangan sisa tak merata yaitu akibat terbentuknya sub-butir, butir melengkung dan adanya dislokasi. Regangan sisa tersebut disebabkan oleh tegangan yang berada dalam butir. Dari argumentasi tersebut diperoleh hipotesis bahwa jika terjadi pelebaran puncak difraktogram maka terjadi tegangan sisa dan regangan butir sisa yang bersifat anisotropis 3

4 3.4 Analisa Rietveld Pada analisa rietveld terdapat beberapa parameter parameter yang didapatkan dari karakter puncak difraksi. Parameter parameter tersebut ditunjukkan pada Table 3.2 Parameter parameter ini didapatkan dengan analisa rietveld. Hasil dari pengujian XRD dicocokkan dengan pola difraksi terhitung (model) yang telah dibuat berdasarkan data ICSD. Pencocokan dilakukan dengan program Rietica yang kemudian dilakukan penghalusan seperti yang terlihat pada Gambar 3.3. Tabel 3.2 Hasil ouput dari analisa Rietveld dengan menggunakan program Rietica Kedala man sampel (micro meter) R Bragg Rp Rwp Rexp X 2 Parameter U Particle size (nanom eter) Gambar 3.3 Hasil dari penghalusan yang membandingkan model terukur dan model terhitung Pada Gambar 3.3 terlihat garis merah menunjukkan pola difraksi terhitung (model) yang dibuat berdasarkan data keluaran ICSD. Sedangkan titik titik hitam merupakan pola difraksi terukur yang didapatkan dari pengukuran dengan difraksi sinar X. Pencocokan (penghalusan) dilakukan seteliti mungkin sehingga kedua pola memiliki selisih sekecil mungkin seperti yang ditunjukkan pada garis hijau. Garis hijau merupakan selisih antara kedua pola, jika garis hijau mendekati lurus (linear) berarti kedua pola telah sama. Setelah dilakukan penghalusan,maka nilai keluaran dari analisa rietveld ini dapat digunakan langsung untuk analisa kuantitatif. Nilai keluaran parameter parameter ditunjukkan pada Table Analisa Kuantitatif Berdasarkan hasil yang diperoleh dari analisa Rietveld dilakukan analisa kuantitatif untuk mendapatkan nilai regangan, yang kemudian digunakan untuk menghitung tegangan sisa yang terdapat pada spesimen. Hasil perhitungan tegangan dan regangan tersebut dapat dilihat pada Table 3.3. Tabel 3.3 Hasil perhitungan regangan dan tegangan sisa yang terdapat pada spesimen Superalloy (NiCoCrAlY). Kedalaman sampel (micrometer) ε (regangan) σ (tegangan) (GPa) Pembahasan Pada penelitian ini pelapisan dilakukan dengan penyemprotan sistem plasma pada kondisi lingkungan udara bebas (air plasma spraying) dengan bahan bond coat NiCoCrAlY dan serbuk keramik penghalang panas 8YSZ (8% Yttria Stabilized Zirconia), yang disemprotkan pada temperatur tinggi dengan kecepatan yang tinggi pula. Hasil pengamatan SEM pada penampang melintang specimen dapat dilihat pada Gambar

5 Gambar 3.4 Penampang melintang spesimen hasil uji SEM Pada Gambar 3.4 terlihat di daerah top coat yang berikatan dengan bond coat banyak ditemukan porositi. Hal ini dikarenakan karena terdapat butiran zirconia yang belum melt sehingga ada udara yan terjebak. Selain itu terjadi oksidasi ketika proses penyemprotan. Untuk daerah bond coat yang berikatan dengan top coat terlihat bahwa porositas semakin berkurang. Berdasarkan peneletian yang dilakukan oleh W.R. Chen dijelaskan bahwa di daerah interface antara top coat dan bond coat akan timbul porositas sebagai hasil dari proses penyemprotan. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan, dimana pada Gambar 3.4 terlihat bahwa di sepanjang interface antara top coat dan bond coat terbentuk adanya porosity yang menyebabkan pemisahan antara permukaan lapisan keramik dengan bond coat. Jika dibandingkan pada permukaan top coat lebih banyak porositinya daripada permukaan bond coat. Dari pengamatan juga didapatkan bahwa pada material awal sudah tampak adanya sedikit oksida di daerah interface top coat dan bond coat, dalam hal ini adalah ZrO 2, ini terjadi karena pada saat proses pembuatan specimen di lakukan dengan system plasma yaitu dengan cara penyemprotan pada temperature tinggi di dalam lingkungan atmosfer dengan kandungan uap air relative tinggi sehingga pada saat proses tersebut telah terjadi oksidasi, akan tetapi bersifat tidak merusak karena lapisan film dari hasil oksidasi masih berfungsi sebagai pelindung material dasar. Tingkat oksidasi berpengaruh terhadap jumlah porositas dan internall stress. Dan jumlah porositas berpengaruh pula terhadap kegagalan pelapisan, karena merupakan awal adanya diskotinuitas. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai hal ini. Pengujian difraksi sinar-x pada penelitian ini memegang peranan yang sangat penting. Pengujian dilakukan pada kedalaman 0, 50, 100, 150. Berdasarkan hasil pengujian XRD pada material Superalloy (NiCoCrAlY) diperoleh indikasi terbentuknya fasa ZrO2 dengan struktur kristal tetragonal. Tidak terjadi perubahan fasa pada tiap kedalaman karena masih terdapat pada daerah top coat. Selain digunakan untuk identifikasi fasa, pengujian XRD ini juga dapat digunakan untuk mendapatkan parameter regangan dan tegangan sisa yang terjadi pada material. Tegangan sisa adalah tegangan tekan atau tegangan tarik yang yang terdapat di bagian dalam material tanpa adanya pembebanan dari luar (external load) apakah berbentuk gaya ataupun perubahan temperatur. Pada pengujian ini tegangan sisa yang dimaksud adalah tegangan sisa pada spesimen yang sebelumnya telah mengalami proses thermal spray. Pada penelitian ini untuk menghitung tegangan sisa digunakan analisa kuantitatif dengan menggunakan parameter keluaran analisa rietveld dengan menggunakan penghalusan dari program rietica. Penghalusan dilakukan menggunakan software rietica. Dalam pemanfaatan parameter keluaran Rietica terdapat beberapa hal yang menentukan keberhasilan penghalusan sehingga diperoleh data yang benar tentang spesimen, diantaranya adalah pemilihan model input. Berdasarkan data kristalografi satu fasa mempunyai lebih dari satu data standar. Apabila permodelan diperkirakan telah sesuai dengan data pengukuran, maka penghalusan dapat dilakukan. Hasil pengahalusan pada berbagai kedalaman disajikan pada Tabel 3.2. Besarnya nilai R p pada pengurangan kedalaman 150 merupakan suatu penyimpangan menurut nilai kesesuaian yang diijinkan yaitu di bawah 20%. Tetapi pada kedalaman 150 5

6 menunjukkan nilai sekitar 21.41%, hal ini berbeda dengan kedalaman lain yang sesuai dengan nilai kesesuaian yang diijinkan. Sedangkan pada R wp menunjukkan penyimpangan pada pengurangan kedalaman 0 sebesar 21,84%, dan pengurangan kedalaman 150 sebesar 27.35%. Besarnya nilai kesesuaian R p dan R wp menjelaskan masih adanya ketidaksesuaian bentuk profil data dan permodelan. Data yang terukur diambil dari material yang telah mengalami proses transformasi sehingga beberapa karakter kristalografinya juga bersifat transformatif. Parameter Gaussian (U) menunjukkan peningkatan seiring dengan semakin dalamnya pengukuran, hal ini sangat berpengaruh terhadap regangan pada material tersebut,sehingga berpengaruh juga terhadap tegangan sisa yang terjadi. Hal yang menarik juga terlihat pada parameter Lorentzian (H L ) yang menunjukkan pola yang sama dengan parameter Gaussian (U), ini sangat berpengaruh terhadap ukuran kristal. Parameter U digunakan untuk menghitung regangan digunakan persamaan nilai Us yang digunakan adalah Sedangkan untuk menghitung tegangan digunakan persamaan Sehingga nilai regangan dan tegangan sisa dengan fungsi kedalaman dapat dilihat pada tabel 3.3. Dari hasil perhitungan diatas dapat dilihat bahwa semakin dalam kedalaman maka tegangan yang terjadi semakin besar pula. Hal ini dapat disebabkan karena semakin dalam kedalaman maka jarak antara top coat dengan interface semakin dekat,sehingga terjadi gaya tarik menarik yang menyebabkan tegangan yang terjadi semakin besar pula. Dapat dilihat pada Gambar 3.5, pada saat serbuk keramik disemprotkan pada tekanan dan suhu yang tinggi, terbentuklah oksida pada material. Sehingga pada saat serbuk merekat terjadi gaya tarik menarik antara lapisan oksida tersebut dengan serbuk. Tegangan yang terjadi juga disebabkan karena terjadinya deformasi akibat dari tekanan penyemprotan yang begitu besar. Tegangan di daerah interface ini juga disebabkan karena adanya perbedaan koefesien ekspansi thermal antara bond coat dan top coat yang berakibat pada perbedaan muai volume antara keduanya, sehingga bekumpulah kedua tegangan di daerah batas antara bond coat dan top coat. Hal ini sama seperti yang dikatakan Chen et.al (2003) bahwa peningkatan temperatur dapat mengakibatkan perubahan fasa dan difusi pada interface antara bondcoat dengan top coat sehingga terjadi retak yang dikarenakan laju ekspansi panas yang tidak sama antar lapisan. Tegangan yang terjadi juga dapat disebabkan karena adanya porositas yang terdapat pada top coat seperti terlihat pada Gambar 3.4. Porositas mulai terbentuk pada kedalaman sekitar 70 sampai 240. Sehingga menyebabkan tegangan sisa pada kedalaman 100 sangatlah besar dibandingkan dengan 0 dan 50. Hal ini terjadi karena adanya oksida yang terjebak pada saat thermal spray. Oksida ini dapat terjadi disebabkan karena beberapa hal, yaitu : 1. Pada saat penyemprotan thermal spray ada butiran yang belum melt dan ada yang sudah melt, ini disebabkan karena kecepatan penyemprotan dan temperatur yang tinggi. Sehingga terdapat celah untuk terbentuknya oksida dan menjadi porositas. 2. Karena kecepatan penyemprotan yang terlalu tinggi menyebabkan oksigen belum sempat keluar sebelum lapisan membeku, sehingga oksigen yang terjebak ini dapat menjadi porositas. 3. Perbedaan koefisien ekspansi thermal yang berakibat perbedaan muai volume, menyebabkan perbedaan pemuaian antara kedua lapisan, sehingga pada saat perekatan tidak sempurna dan menjadi porositas. Karena adanya porositas ini maka terjadi tegangan sisa yang cukup besar pada daerah sekitar porositas tersebut Oksi Thermal Spray Met Gambar 3.5 Gambar proses plasma spray 6

7 Adanya tegangan sisa pada daerah interface ini dapat dibuktikan pada Gambar 3.6, hasil pengujian SEM terhadap spesimen hasil coating menunjukkan adanya porositas pada daerah interface. Porositas inilah yang berlaku sebagai potensial retak. ZrO Reta TC TOP COAT BOND COAT BOND Oksid Poros Gambar 3.6 Pengamatan SEM perbesaran 5000 X pada specimen hasil plasma spray, sebelum diaplikasikan untuk thermal cycle Hal ini sangat berpengaruh pada aplikasi dari spesimen superalloy ini yang biasanya diaplikasikan pada temperatur tinggi (900 o C 1200 o C) dan pada thermal cycle. Awal dari tegangan dan retakan inilah yang dapat menjadi sumber kerusakan pada benda, baik berupa retak yang merambat ataupun pengelupasan coating. BAB IV KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian dan analisis data yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Berdasarkan hasil pengujian XRD diperoleh indikasi terbentuknya fasa ZrO2 dengan struktur kristal tetragonal. Terbentuknya fase nontransformable tetragonal ini disebabkan karena pendinginan cepat atau quenching. Pendinginan cepat dalam hal ini adalah pendinginan dengan udara bebas setelah. 2. Berdasarkan analisa profile fitting ditunjukkan bahwa jika terjadi pelebaran puncak difraktogram maka terjadi tegangan sisa dan regangan butir sisa yang bersifat anisotropis.. 3. Dari parameter U hasil keluaran analisa rietveld dapat diperoleh tegangan sisa yang terjadi pada material. Tegangan terbesar terjadi pada kedalaman 150 dari permukaan, yaitu GPa. 4. Tegangan yang terjadi disebabkan karena terdapatnya porositas yang cukup banyak pada daerah top coat. Hal ini disebabkan karena adanya oksida yang terperangkap pada saat proses thermal spray. 5. Tegangan sisa semakin besar jika mendekati daerah interface top coat dan bond coat. Hal ini dapat terjadi karena adanya gaya tarik menarik antara kedua lapisan dan juga karena adanya perbedaan ekspansi thermal antara kedua lapisan. Indikasi tegangan sisa yang cukup besar tersebut dapat dilihat berupa retak pada hasil SEM. DAFTAR PUSTAKA Chen, J. H. et al., Sept Degradation of the platinum aluminide coating on CMSX4 at 1100 C. Surface & Coatings Technology 92:1997, Pratapa, S Prinsip-prinsip dan Implementasi Metode Rietveld untuk Analisis Data Difraksi. Surabaya. Wiley, John. Encyclopediaa of Chemical Technology 3 rd edition. New York. Czech et al., June Improvement of MCrAlY coatings by additions of rhenium. Surface & Coatings Technology, 68:1994, Evans, A.G. et al., April Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings. Prog. Material Science 46:2001,

8 Sugondo, Pengaruh Deformasi pada Karakteristik Kristalit dan Kekuatan luluh Zircaloy-4. Batan. Serpong. Freund, L.B., Suresh, S Thin Film Materials : Stress, Defect Formation and Surface Evolution. Divison of Engineering Brown University. Hass, D.D., Directed Vapor Deposition of Thermal Barrier Coatings, Ph.D. Dissertation, University of Virginia. Müller, J., Neuschütz, D., June Efficiency of a-alumina as diffusion barrier between bond coat and bulk material of gas turbine blades. Vacuum 71 (2003) Nicoll, A.R. et al., Sept The effect of alloying additions on M-Cr-Al-Y systems - An experimental study. Thin Solid Films 95:1992, Padture et al., Feb Themal barrier coatings for gas-turbine engine applications. Science 296:2002, Pettit, F.S., Goward, G.W., Coatings for High Temperature Applications Applied Science Publishers Sivakumar, R. et al., March High temperature coatings for gas turbine blades: a review. Surface & Coatings Technology 37:1989, Schulz, U., July Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings. Aero. Science Technology 7:2003, Strangman, T.E., Des Thermal barrier coatings for turbine airfoils. Thin Solid Films, 127:1985, Wiles, Young A new computer program for rietveld analysis of X-ray powder diffraction patterns. J. Appl. Cryst. 14, Yanar, N.M., Pettit, F.S., Meier, G.H., May Failure Characteristics during Cyclic Oxidation of Yttria Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coating Deposited via Electron Beam Physical Vapor Deposition on Platinum Aluminide and on NiCoCrAlY Bond Coats with Processing Modification for Improved Performances. ProQuest Science Journals pg Quadakkers, W.J., et.al., April Oxidation characteristics of a platinized MCrAlY bond coat for TBC systems during cyclic oxidation at 1000 o C. Surface & Coatings Technology 199 (2005) Richard, C.S. et al., Aug The influences of heat-treatments and interdiffusion on the adhesion of plasmasprayed NiCrAlY coatings. Surface & Coatings Technology 82:1996,