Muhammad Sofyan Lazuardi Dosen Pembimbing Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si

Transkripsi

1 PENGARUH VARIASI KOMPOSISI Al 2 O 3 PADA LAPISAN KOMPOSIT Al 2 O 3 /YSZ DAN VARIASI JARAK SPRAY DENGAN METODE FLAME SPRAY TERHADAP KETAHANAN TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ-Al 2 O 3 /YSZ DOUBLE LAYER THERMAL BARRIER COATING UNTUK APLIKASI NOSEL ROKET Muhammad Sofyan Lazuardi Dosen Pembimbing Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si

2 Latar Belakang RX 550 (LAPAN)

3 Uji coba Roket RX 550 menggunakan bahan bakar Hydroxyl Terminated Polybutadiene (HTPB) menghasilkan temperatur ~1200 o C dengan berat propelan 1800 kg (Lapan, 2012) Uji coba Roket RX 320 menggunakan bahan bakar HTPB menghasilkan temperatur o C dengan berat propelan 371 kg daya dorong mencapai 4,9 ton (Lapan, 2013).

4 Solusi Mengganti bahan Nozel yang sebelumnya menggunakan baja S45C dengan material Superalloy Melakukan coating pada permukaan dalam nosel sebagai penahan panas

5 Rumusan Masalah Bagaimana pengaruh komposisi Al 2 O 3 pada lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ-YSZ/Al 2 O 3 double layer TBC? Bagaimana pengaruh variasi jarak spray terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dariysz-ysz/al 2 O 3 double layer TBC? Bagaimana pengaruh dari lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 dan jarak spray terhadap unsur lapisan yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal?

6 Batasan Masalah Pencampuran serbuk keramik dianggap homogen. Ketebalan sapuan Flame Spray dianggap sama. Unsur pengotor dan faktor lingkungan dianggap tidak berpengaruh. Distribusi pori pada permukaan coating dianggap merata.

7 Tujuan Penelitian Untuk menganalisa pengaruh variasi komposisi Al 2 O 3 pada lapisan komposit Al 2 O 3 /YSZ terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ-Al 2 O 3 /YSZ double layer TBC. Untuk menganalisa pengaruh variasi jarak spray terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ- Al 2 O 3 /YSZ double layer TBC. Untuk menganalisa pengaruh dari lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 dan jarak spray terhadap unsur yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal.

8 Manfaat Penelitian Sebagai inovasi dalam pengembangan teknologi pelapisan untuk memajukan dunia penerbangan antariksa nasional Mampu menghasilkan lapisan komposit keramik pada nosel roket dengan kelekatan yang baik. Dapat digunakan sebagai referensi penelitian selanjutnya.

9 Tinjauan Pustaka Thermal Barrier Coating (TBC) adalah suatu jenis dari pelapisan (coating) keramik pada logam dimana digunakan untuk menghalang panas dari lingkungan sehingga struktur menjadi aman terhadap panas. TC BC S TC Top Coat Lapisan paling luar terbuat dari material Keramik BC Bond Coat Lapisan tengah. Merupakan material pengikat umumnya. Terbuat dari MCrAlY alloy. S Substrate Lapisan paling bawah. Merupakan material yang akan dilapisi. Umunya logam/paduan/paduan super

10 TGO (Thermally Grown Oxide) Adanya porositas pada topcoat Temperatur kerja yang tinggi Oksigen masuk M + O = MO

11 Komposit YSZ/Al 2 O 3 C. Ren, 2011 Karaoganli, 2011 Mehdi, 2012 Mengganti bond coat MCrAlY dengan YSZ/Al 2 O 3 Membandingakan YSZ/Al 2 O 3 APS dan HVOF Membandingkan YSZ dengan YSZ/Al 2 O 3

12 Substrat Hastelloy X Ni Cr Fe Mo Co W C Mn Si B (bal) 47% 22 % 18% 9% 1.5 % 0.6% 0.1% Max 1% Max 1% % Properti Temperatur ( o C) Nilai Titik Leleh o C Resistivitas Elektrik microhm.cm Konduktifitas Termal W/m.K W/m.K W/m.K Panas Spesifik Room 486 J/Kg.K J/Kg.K J/Kg.K CTE x 10-6 m/m. o C x 10-6 m/m. o C x 10-6 m/m. o C

13 Bondcoat MCrAlY (NiCrAlY) (Moskal, 2009)

14 Properties ZrO 2 Top Coat YSZ YSZ Material Thermal Barrier Coating Al 2 O 3 + SiO 2 Al 2 O 3 SiO 2 TiO 2 La 2 ZrO 7 Titik leleh ( o C) Koefisien ekspansi thermal (10-6 K -1 ) Konduktifitas thermal (Wm -1 K -1 ) Poisson Number ( -10 ) (X.Q. Cao dkk., 2004) Optimalisasi lapisan YSZ : Penambahan lapisan komposit YSZ/ Al 2 O 3 Parameter spray

15 Flame Spray Proses Aliran Gas (m 3 /h) Temperatur Keluaran Nyala Api ( o C) Kecepatan Tumbukan (m/s) Kekuatan Lekat Relatif * Kekuatan Kohesif Feed Rate Maksimum (gr/min) Flame Spray Rendah 117 HVOF Sangat tinggi 233 Conventional Plasma Spray Tinggi 83 High-Energy Plasma Spray Vacuum Plasma Spray Sangat tinggi Sangat tinggi 167 * = 1 (rendah) sampai 10 (tinggi)

16 Metode Penelitian Start Studi Literatur A Preparasi Spesimen Preparasi Serbuk 8YSZ, Al 2 O 3 dan MCrAlY Spray Distance: 200 mm, 250 mm dan 300 mm Pemotongan spesimen Mixing Serbuk 8YSZ dan Al 2 O 3 SEM-EDX dan XRD Proses Sand Blasting Karakterisasi Serbuk YSZ, Al 2 O 3 dan MCrAlY Thermal Torch Test Thermal TGA 1100 o C,10 o C/min Pull Off Test Proses pelapisan Hastelloy X dengan bond coat MCrAlY top coat 8YSZ- Al 2 O 3 /YSZ dengan variasi presentasi berat Al 2 O 3 SEM-EDX dan XRD Pengumpulan Data 5% Al 2 O 3-95% 8YSZ 15% Al 2 O 3-85% 8YSZ 30% Al 2 O 3-70% 8YSZ Analisa Data dan Pembahasan A Finish

17 Alat dan Bahan Neraca Digital Analitik Siever Shaker dan Sieve Planetary Ball Mill Pengering Serbuk (Dryer) Sand Blasting HVOF Oxy Acetylene SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDX XRD (X-Ray Diffraction) TGA (Thermogravimetry) Termometer Inframerah Alat Pull Off (Uji lekat) Serbuk 8% Y 2 O 3 - ZrO 2 (8 Yttria Stabilized Zirconia/8YSZ) Metco 204NS Serbuk Al 2 O 3 (Alumina) Serbuk MCrAlY Amdry Ni = bal., Cr = 21-23%, Al = 9-11%, Y = % Spesimen Hastelloy X 25.4 mm 3 mm 3 mm 6 mm (a) (b) a) Uji Termal dan Adhesive b) Uji TGA

18 Rancangan TBC YSZ 200 µm YSZ/Al 2 O 3 NiCrAlY 80 µm 100 µm 8% Y 2 O 3 - ZrO 2 (Metco 204NS) 8% Y 2 O 3 - ZrO 2 (Metco 204NS) - Al 2 O 3 (Merck) MCrAlY (Amdry 962) Hastelloy X

19 Parameter Spray yang Digunakan Lapisan YSZ Top Coat Arus (A) Voltage (V) Jarak Spray (mm) Feed rate (g/min) Tebal (µm) YSZ/Al 2 O Bond Coat

20 Pengujian Thermal Torch Test Melihat Ketahanan Thermal terhadap penetrasi dari nyala api las Las Oxy Non-Isotermal Oxidation Test Melihat pertumbuhan dan struktur Oksida (TGO) Menggunakan TGA Pull Off Test Melihat Besar Kekuatan Lekat Alat Pull Off (ASTM D4541) SEM-EDX Struktur mikro dan kandungan unsur coating XRD Perubahan fasa setelah pengujian termal

21 Analisa Data dan Pembahasan Karakterisasi Awal Serbuk YSZ 43,92 µm

22 Karakterisasi Awal Serbuk Al 2 O 3 74,706 µm

23 Karakterisasi Awal Serbuk MCrAlY 86,32 µm

24 Hasil SEM Hasil Pengujian SEM Permukaan Coating YSZ/Al 2 O 3 30%, 250mm dengan Perbesaran 2000x

25 Hasil SEM Hasil Pengujian SEM Permukaan Coating Pada Perbesaran 250x (a)ysz/al 2 O 3 5%, 150mm, (b)ysz/al 2 O 3 5%, 200mm (c) YSZ/Al 2 O 3 5%, 250mm (d)ysz/al 2 O 3 15%, 150mm (e) YSZ/Al 2 O 3 15%, 200mm (f)ysz/al 2 O 3 15%, 250mm (g)ysz/al 2 O 3 30%, 150mm (h) YSZ/Al 2 O 3 30%, 200mm (i)ysz/al 2 O 3 30%, 250mm

26 Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 5%, 200mm Setelah Proses Flame Spray

27 Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 15%, 200mm Setelah Proses Flame Spray

28 Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 30%, 200mm Setelah Proses Flame Spray

29 Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 5%, 200mm Setelah Uji Termal

30 Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 15%, 200mm Setelah Uji Termal

31 Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al 2 O 3 30%, 200mm Setelah Uji Termal

32 Hasil XRD Hasil Pengujian XRD Pada Permukaan Atas Sebelum Uji Termal Pada Setiap Komposisi Hasil Pengujian XRD Pada Permukaan Atas Setelah Uji Termal Pada Setiap Komposisi

33 Hasil TGA Grafik %m-t (Penambahan Massa-Temperatur) Grafik Analisa 1 st Derivative TGA

34 Hasil Uji Thermal Torch Oxy Grafik Tingkat Kerusakan Setelah Pengujian Thermal Torch 1 = Cekung/coating mengelupas, 2 = Lubang kecil/dangkal 3 = Lubang besar/dalam, 4 = Sampel hancur/rusak parah

35 Hasil Pengujian Pull-Off Komposisi Jarak Spray (mm) Kekuatan Lekat (MPa) Rata-rata YSZ/Al2O3 5% YSZ/Al2O3 15% YSZ/Al2O3 30% Grafik Hubungan antara Kelekatan dengan Komposisi Al 2 O 3 dan Jarak Spray

36 Kesimpulan dansaran 1. Komposisi Al 2 O 3 pada lapisan komposit YSZ/ Al 2 O 3 memberikan pengaruh pada sifat kelekatan dengan nilai kelekatan rata-rata pada komposisi YSZ/Al 2 O 3 5% 12,76 MPa; YSZ/Al 2 O 3 15% 11,79 MPa dan YSZ/Al 2 O 3 30% 19,98 MPa yang membuktikan bahwa YSZ/Al 2 O 3 30% memiliki kekuatan lekat paling baik. 2. Komposisi Al 2 O 3 pada lapisan komposit YSZ/ Al 2 O 3 memberikan pengaruh pada ketahanan termal dengan nilai oksidasi dari hasil pengujian EDX yang menunjukkan nilai O setelah pengujian termal pada komposisi YSZ/Al 2 O 3 5% 25.29wt%, YSZ/Al 2 O 3 15% 14.35wt% dan YSZ/Al 2 O 3 30% 11.83wt% yang membuktikan bahwa YSZ/Al 2 O 3 30% memiliki ketahanan termal paling baik. 3. Jarak spray memberikan pengaruh terhadap kekuatan lekat dengan nilai yang paling stabil didapatkan pada jarak 200mm dari ketiga komposisi YSZ/Al 2 O 3 5% 13,41 MPa; YSZ/Al 2 O 3 15% MPa danysz/al 2 O 3 30% 20,4 MPa. 4. Jarak spray memberikan pengaruh terhadap ketahanan termal dengan nilai yang paling stabil didapatkan pada jarak 200mm dari hasil uji Thermal Torch yang menunjukkan nilai tingkat kerusakan ketiga komposisiysz/al 2 O 3 5%, 2;YSZ/Al 2 O 3 15% 2,33 danysz/al 2 O 3 30% 1, Lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 dan jarak spray berpengaruh terhadap unsur sebelum pengujian termal dengan didapatkan fasa t-zro 2, m-zro 2 dan Al 2 O 3 untuk tiap komposisi pada pengujian XRD. 6. Lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 dan jarak spray berpengaruh terhadap unsur setelah pengujian termal dengan didapatkan fasa t-zro 2, m-zro 2, Al 2 O 3 dan peak baru berupa CrO pada pengujian XRD, dengan peak yang paling tinggi ditunjukkan pada komposisi YSZ/Al 2 O 3 5% dan paling rendah pada komposisi YSZ/Al 2 O 3 30%.

37 Saran 1. Untuk metode spray sebaiknya menggunakan metode plasma spray atau HVOF (High Velocity Oxy Fuel) sehingga hasil coating yang didapatkan lebih baik. 2. Untuk pengujian lekat sebaiknya dilakukan pengecekan pada perekat sehingga ketika dilakukan proses pengujian, coating bisa terlepas secara sempurna. 3. Ukuran partikel serbuk sebelum dilakukan spray harus disesuaikan dulu dengan ukuran yang dibutuhkan pada flame spray agar tidak terjadi macet pada saat pelapisan.

38 TERIMA KASIH

39 Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) 7-8 wt% YSZ ZrO 2 Melt (2690 o C) Cubic (2370 o C) Tetragonal 7-8wt% YSZ Melt (2700 o C) Cubic (2000 o C) (1173 o C) Tetragonal + Cubic Monoclinic (500 o C) Monoclinic + Cubic

40

41

42 A.C Karaoganli, E. Altucu, I. Ozdemir, A. Turk, F. Ustel (2011) Melapiskan 35%Al 2 O 3 65% 8YSZ dengan 2 cara HVOF dan APS, mengamati ketahan termalnya terhadap beban siklik Menambahkan 35% Al 2 O 3 sukses menaikkan life time dari YSZ dan menaikkan property mekanik pada 1200 o C. HVOF memiliki life time lebih randah dari APS, APS lebih adherence. C. Ren, Y.D He, D.R Wang (2011) Melapiskan komposit YSZ/Al 2 O 3 (95% YSZ - 5%Al 2 O 3 ) pada daerah diantara YSZ dan Substrat dengan kata lain C. Ren dkk mencoba mengganti lapisan bond coat (BC) konvensional MCrAlY dengan komposit YSZ/Al 2 O 3. Termal Oxidation Test pada 1000 o C dan 1100 o C selama 200 jam setiap 10 jam dikeluarkan dan ditimbang untuk mengetahui kenaikan berat akibat oksidasi. Menghasilkan lapisan TGO yang sangat tipis. Dari kurva Kinetika Oksidasi didapatkan bahwa ketahan oksidasi dari substrat meningkat. Dari kurva Pengurangan Berat menunjukkan bahwa ketahanan terhadap pengelupasan meningkat.

43 Qinghe Yu, Chungen Zhou, Huiyan Zhang, Feng Zhao (2010) 13% Al 2 O 3-8YSZ, Variasi Waktu Temperatur Treatment 25 jam, 100 jam dan 300 jam pada 1100 o C. Porosistas dari coating menunurun dari 23.8% menjadi 18% (pada treatment 100 jam). Porositas yang menurun menyebabkan kontaminasi oksigen yang masuk ke dalam coating menjadi menurun juga, ini akan meminimalkan lapisan TGO.