JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember. A Decade of Open Sharing SURABAYA

Transkripsi

1 PENGARUH KOMPOSISI KOMPOSIT Al 2 O 3 /YSZ DAN VARIASI FEED RATE TERHADAP KETAHANAN TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ- Al 2 O 3 /YSZ DOUBLE LAYER TBC UNTUK APLIKASI PADA NOSEL ROKET Parindra Kusriantoko ( ) Advisor : Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si., Jan 28, 2013 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA 1

2 Outline Pendahuluan Tujuan Batasan Masalah Tinjauan Literatur Metodologi Analisa dan Pembahasan Kesimpulan Flickr: tidefan 2

3 PENDAHULUAN 3

4 GAGAL RX 550 (Lapan) Uji statik Kondisi : Temperatur yang tinggi up to 1200 o C Dorongan yang tinggi bisa mencapai ~10 ton S45C = Gagal Solusi : Mengganti bahan dengan material Superalloy Melakukan coating pada permukaan dalam nosel? Material coatingnya? Thermal Barrier Coating 4

5 Propertiess Material Thermal Barrier Coating ZrO 2 YSZ Al 2 O 3 + SiO 2 Al 2 O 3 SiO 2 TiO 2 La 2 ZrO 7 Titik leleh ( 0 C) Koefisien thermal (10-6 K -1 ) Konduktifitas thermal (Wm -1 K -1 ) Poisson Number (- 10 ) Optimalisasi lapisan YSZ Penambahan lapisan YSZ/Al 2 O 3 dibawah lapisan YSZ Parameter spray 5

6 Penelitian sebelumnya Alvian, 2013 TBC, TC = 20%SiO 2 -Al 2 O 3, BC = NiAl Flame spray 3, 6, 9 sapuan Parindra, 2014 TBC, TC = YSZ-YSZ/(5%, 10%, 20%)Al 2 O 3, BC = MCrAlY Flame spray Kukuh, 2013 TBC, TC = 20%, 30%, 40%SiO 2 -Al 2 O 3, BC = NiAl 4340 Flame spray 3, 6, 9 sapuan Nosel Roket Ridwan, 2013 TBC, TC = 20%, 30%, 40%SiO 2 -Al 2 O 3, BC = NiAl 1045 Flame spray 3, 6, 9 sapuan Gafur, 2014 TBC, TC=(30%,20%,10%) SiO 2 -Y 2 O 3-60%Al 2 O 3, BC=MCrAlY Flame spray Agi, 2013 TBC, TC = 40%SiO 2 -Al 2 O 3, BC = NiAl Flame spray 3, 6, 9 sapuan 6

7 TUJUAN PENELITIAN 7

8 Tujuan Untuk mengetahui 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. Untuk mengetahui pengaruh variasi feed rate serbuk YSZ/Al 2 O 3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ-YSZ/Al 2 O 3 double layer TBC. Untuk mengetahui pengaruh dari lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 dan feed rate serbuk terhadap struktur mikro yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal. 8

9 BATASAN MASALAH 9

10 Batasan Masalah Pencampuran serbuk keramik dianggap homogen. Unsur pengotor dan faktor lingkungan dianggap tidak berpengaruh. Hasil sapuan flame spray dianggap menghasilkan tebal yang sama. Tebal bond coat dan top coat dianggap sama pada setiap sampel uji. 10

11 TINJAUAN LITERATUR 11

12 Thermal Barrier Coating (TBC) 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. (Padture, 2002) 12

13 Thermal Barrier Coating (TBC) TC Top Coat Lapisan paling luar terbuat dari material Keramik. (Yanjun Li, 2012) BC Bond Coat Lapisan tengah merupakan material pengikat (bonding) umumnya Terbuat dari MCrAlY alloy S Substrate Lapisan paling bawah merupakan material yang akan dilapisi, umumnya logam / paduan / paduan super 13

14 Substrat Hastelloy X Ni (bal) Cr Fe Mo Co W C Mn Si B 47% 22% 18% 9% 1.5% 0.6% 0.1% Max 1% Max 1% 0.008% Properti Temperatur Nilai ( o C) 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 Poisson s Ratio Temperatur kerja : 870 o C Bentuk Kondisi UTS Yield Strength Elongasi Ksi MPa Ksi MPa (%) Sheet, mm Heat-Treated pada 1177 o C Quench. Plate, mm Heat-Treated pad 1177 o C Quench (Haynes Internasional, 1997) 14

15 Bondcoat MCrAlY (NiCrAlY) Ni,Co + Cr +Al + Y Nikel, membuat fase yang memiliki titik leleh yang tinggi, antara lain γ, dan γ -Ni 3 Al, juga memiliki ketahan oksidasi yang tinggi karena adanya fase β-nial. Kobalt memiliki kemampuan untuk mensubsitusi atom Ni secara mudah dan meningkatkan ketahanan oksidasi, terutama pada lingkungan Sulfur. Adanya Ni, Co dan Al membuat adanya fase β-(ni,co)al yang menunjukan kemampuan yang tinggi untuk membuat layer -Al 2 O 3 sebagai penahan oksidasi. Cr menyebabkan terbentuknya oksida kromium (Cr 2 O 3 ), yang menaikkan ketahan oksidasi, dan mengurangi penggunaan Al guna untuk mendapatkan fase -Al 2 O 3. Yttrium menaikkan adhesivitas dari oksida yang terbentuk seperti - Al 2 O 3. (Moskal, 2009) 15

16 Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) TZP (Tetragonal Zirconia Polymorphy) 2-4wt% Yttria YSZ PSZ (Partially Stabilized Zirconia) 7-15wt% Yttria CSZ (Cubic Stabilized Zirconia) > 15wt% Yttria T m tinggi, approx o C Koef. Konduktifitas rendah 2,3 Wm -1 K -1 CTE yang tinggi o C -1, Memiliki densitas yang relatif rendah 6.4 g/cm 3 Memiliki kekerasan yang tinggi sekitar 14 GPa, yang membuat YSZ resistan terhadap erosi. (Moskal, 2009) 16

17 Thermally Grown Oxide (TGO) Adanya porositas pada topcoat Temperatur kerja yang tinggi Oksigen masuk M + O = MO retak (Mumm, 2000) Oksida pada TGO menurut penelitian Yanjun Li (2012) terdiri atas kluster : CSN = Al 2 O 3, (Cr,Al) 2 O 3 + (Co,Ni)(Cr,Al) 2 O 4 + NiO CS = (Cr,Al) 2 O 3 + (Co,Ni)(Cr,Al) 2 O 4 17

18 Saremi, 2008 C. Zhu, 2012 Yanjun Li, 2012 Melapiskan Al 2 O 3 di atas top coat C. Ren, 2011 Melapiskan Al di atas top coat Karaoganli, 2011 Melapiskan Al 2 O 3 diantara TC/BC Mehdi, 2012 Mengganti MCrAlY dengan YSZ/Al 2 O 3 Membandingakan YSZ/Al 2 O 3 APS dan HVOF Membandingkan YSZ dengan YSZ/Al 2 O 3 18

19 Rancangan dari TBC YSZ YSZ/Al 2 O 3 NiCrAlY 200 µm 80 µm 100 µm Hastelloy X Dengan Ekspetasi Awal : 1. Lapisan TGO semakin tipis (setelah uji termal) Ketahanan oksidasi bagus 2. Kekuatan lekat bagus 3. Kluster oksida pada TGO sedikit 4. Tidak mudah mengalami spalasi 19

20 Proses Flame Spray Temp. Mencapai 2700 o C kecepatan dari flame spray ini sekitar <100 m/s dan spray rate nya sekitar kg/jam atau gr/min (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004). 20

21 METODOLOGI PENELITIAN 21

22 Diagram Alir 22

23 Alat dan Bahan 25.4 mm 6 mm 4 mm 2 mm a.) b.) c.) Spesimen Hastelloy X a.) Uji Thermal dan adhesive b.) Uji TGA (Thermografimetri) c.) Hastelloy X Serbuk 8% Y 2 O 3 - ZrO 2 (8 Yttria Stabilized Zirconia/8YSZ) Serbuk Al 2 O 3 (Alumina) Serbuk MCrAlY Amdry Ni = bal., Cr = 21-23%, Al = 9-11%, Y = % Neraca Digital Analitik Siever Shaker dan Sieve Planetary Ball Mill Pengering Serbuk (Dryer) Sand Blasting Flame Spray Oxy Acetylene SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDX XRD (X-Ray Diffraction) TGA (Thermogravimetry) Termometer Inframerah Alat Pull Off (Uji lekat) Alat Pendukung 23

24 Proses Pelapisan PREPARASI COATING bonding cutting blasting Top coating YSZ/A 2 O 3 + YSZ Hasil 24

25 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 Struktur mikro coating XRD Perubahan fasa setelah pengujian termal 25

26 ANALISA dan PEMBAHASAN 26

27 Karakterisasi Awal Serbuk 8YSZ ±14.6 µm 27

28 Karakterisasi Awal Serbuk Al 2 O 3 110,4 ±20,9 µm 28

29 Karakterisasi Awal Serbuk NiCrAlY ±12.37 µm 29

30 Hasil SEM Unmelted Melted Semi-Melted Dilakukan Jufti A.H (2008) mengatakan bahwa adanya struktur melted, unmelted, dan semimelted disebabkan karena serbuk yang belum sempat meleleh dengan sempurna, sehingga ketika menyentuh permukaan substrat ada beberapa kondisi yang dimungkinkan. Hasil pengujian SEM permukaan coating pada perbesaran 2000x 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min 30

31 Hasil SEM Hasil pengujian SEM permukaan coating pada perbesaran 250x (a) 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 8 gr/min, (b) 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 14 gr/min (c) 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min (d) 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 8 gr/min (e) 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 14 gr/min (f) 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min (g) 30%Al 2 O 3 /8YSZ, 8 gr/min (h) 30%Al 2 O 3 /8YSZ, 14 gr/min (i) 30%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min Tingkat Porositas % Al 2 O 3 /8YSZ 5% Al 2 O 3 /8YSZ 15% Al 2 O 3 /8YSZ Powder Feed Rate (gr/min) 31

32 Hasil SEM YSZ Al 2 O 3 /YSZ BC Substrat Hasil pengujian SEM penampang pada perbesaran 250x (a) 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min, (b) 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min, (c) 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min 32

33 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Ukuran TGO rata-rata = 3.17 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray. 33

34 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Ukuran TGO rata-rata = µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray. 34

35 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Ukuran TGO rata-rata = µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 30%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray. 35

36 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal Ukuran TGO rata-rata = µm crack µm 36

37 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Ukuran TGO rata-rata = 9.41 µm crack 2.0 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal 37

38 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO Hasil SEM Ukuran TGO rata-rata = µm crack 0.4 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 30%Al 2 O 3 /8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal 38 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA

39 ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO 39 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA

40 ANALISA PERUBAHAN FASA 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 40

41 ANALISA PERUBAHAN KESTABILAN TERMAL Hasil TGA o C Grafik Δm-T tiap sampel Grafik Analisa 1 st derivative TGA pada tiap sampel 41

42 Hasil Uji Thermal Torch Oxy Ket : 1 = Rusak (cekung dalam, coating hilang), 2 = Cekung (coating menipis), 3 = Cekung dangkal, 4 = Bagus (cekung sangat kecil) 42

43 Hasil Pengujian Pull-Off 43

44 SARAN dan KESIMPULAN 44

45 Kesimpulan Feed rate akan menyebabkan kerapatan permukaan lapisan semakin baik, dimana porositas menjadi menurun seiring dengan naiknya feed rate. Perubahan TGO setelah dilakukan uji termal 5%Al 2 O 3 /8YSZ, 15%Al 2 O 3 /8YSZ, 30%Al 2 O 3 /8YSZ adalah µm, 9.41 µm, dan µm. Dengan kata lain komposisi 15%Al 2 O 3 memiliki ketahanan termal yang paling baik. Komposisi yang memiliki fasa yang stabil setelah dilakukan uji termal adalah 15% Al 2 O 3 /8YSZ TGA menunjukkan tiap sampel rata-rata mulai terjadi oksidasi yang tajam pada rentang temperatur o C. Hasil analisa 1 st derivative 15% Al 2 O 3 /8YSZ, 14 dan 20 gr/min memiliki kestabilan paling baik. Dari hasil Thermal Torch, sampel yang memiliki kerusakan paling minimal adalah 15% Al 2 O 3 /8YSZ 8 dan 14 gr/min. Dari pengujian kelekatan nilai kelekatan paling tinggi pada komposisi komposisi 15% Al 2 O 3 /8YSZ, 14 gr/min yaitu 10 Mpa 45

46 TERIMAKASIH 46

47 47

48 7-8 wt% YSZ YSZ Phase Diagram Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) ZrO 2 Melt (2690 o C) Cubic (2370 o C) 7-8wt% YSZ Melt (2700 o C) Cubic Tetragonal (2000 o C) (1173 o C) Tetragonal + Cubic Monoclinic (500 o C) Monoclinic + Cubic 48

49 49 Yanar, 2010

50 DenganmenggunakanHukum Fourier : Maka : R 1 = x 1 /k 1 = x 1 /8 R 2 = x 2 /k 2 = x 2 /2.2 R 3 = x 3 /k 3 = x 3 /2.3 Menghasilkan : > x 3 = k 3(T o T 23 ) >x 2 = k 2(T 23 T 12 ) = 2.3(200) q x 4 x 10 = 2.2(100) q x 4 x 10 q x = T o T 23 R 3 q x = K dt dx R = x k. A, q x = T 23 T 12 R 2 q x = T o T 23 R 3 dan q x = T 12 T o R 1 = T o T 23 x 3 k 3 6 = m = mm, ambilsafety factor 2, x 3 = 1.15 x 2 = 0.23 mm ~ 0.2 mm = 200 μm 6 = m = mm, karenapadaflame spray 1 sapuanmenghasilkan μmmaka safety factor dijadikansesuaidengankondisi,x 2 = 80 μm >x 1 = k 1(T 12 T s ) x 1 = 100 μm = 8(30) q x 4 x 10 6 = 0, m = mm, sepertipadapoin 2 makatebal Kesimpulan : Tebaldarilapisanbond coat=100 μm, YSZ/Al 2 O 3 = 80 μmdan YSZ = 200 μm 50

51 t-zro 2 51

52 m-zro 2 52

53 c-zro 2 53

54 AlNi 54

55 AlNi 3 55