Pengaruh rasio pencampuran Al 2 O 3 SiO 2 sebagai pelapis pada baja 4340 terhadap sifat thermal dan daya rekat dengan metode Flame Spray untuk aplikasi nozel roket Oleh : Ridwan Sunarya. - 2709100081 Pembimbing : Dr. Widyastuti S.Si, M.Si Ir. Lilis Mariani, M.Eng. (LAPAN) JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI - ITS
BAB I PENDAHULUAN
Roket dan Nozzle Guidance System Frame Requirement -Stabil pada temperatur tinggi (1200-1700 0 C) -Tahan tekanan tinggi (75-120 kn) - Dapat menahan beban kejut saat temperatur tinggi Nozel mengontrol laju aliran, kecepatan, massa, arah dan tekanan fluida, yang keluar Bahan superalloy, coating material keramik
LATAR BELAKANG Nozel LAPAN berbahan S45C yang dilapisi grafit GAGAL Material 4340 mendekati properties nozel roket NASA Adanya penelitian mengenai pelapisan dengan keramik Al 2 0 3 - SiO 2 sebagai thermal barrier coating (X.Q Cao, et.al).
Pelapisan serbuk WC dengan metode HVOF (Bondan, 2006) Inserting grafit pada nozzle roket (LAPAN, 2008) Baja 4130 sebagai material nozzle (NASA, 2004) Pelapisan Material Pelapisan B 4 C pada S45C dan ST37 dengan Powder Packed ( Ratih, 2004) Penggunaan S45C sebagai bahan nozzle (LAPAN, 2008) Titanium Base Alloy (LAPAN, 2008) Pelapisan Al 2 O 3 - SiO 2 sebagai thermal barrier coating untuk nozzle (Ridwan, 2013)
METODE THERMAL SPRAY HVOF ARC SPRAYING FLAME SPRAY VACUUM PLASMA PLASMA SPRAY COLD GAS SPRAYING
Komposisi serbuk Jenis serbuk Tebal lapisan Variabel Proses Bentuk serbuk Jarak Spraying Ukuran serbuk
Batasan Masalah Serbuk yang digunakan merupakan pro analisisis Pencampuran dan tebal lapisan serbuk dianggap homogen Parameter proses pelapisan konstan Unsur pengotor maupun faktor lingkungan dianggap tidak berpengaruh
Rumusan Masalah Adhesifitas optimum Tujuan Penelitian Persentase Al 2 O 3 - SiO 2 Persentase Al 2 O 3 - SiO 2?? Adhesifitas optimum Ketahanan Termal Persentase Al 2 O 3 - SiO 2 Persentase Al 2 O 3 - SiO 2?? Tahan Termal
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Proses Flame Spray Thermal spray metode pelapisan dimana lapisan yang dibentuk berasal dari tetesan material yang melted atau semi melted. Metode Flame Spray salah satu metode Thermal Spray yang cocok digunakan untuk proses ceramic coating (Maria Oksa et.al.,2011) Material Dapat berupa serbuk atau kawat. Dipanaskan di flame Temperatur flame dapat mencapai 3000 0 C Spray menuju substrat Terjadi mechanical bonding antara lapisan dengan substrat
Metode Flame Spray Properties Adhesive strength (MPa) Teknik pelapisan Flame Spray Plasma Spray HVOF 15-30 15 25 90 Porositas (%) 10-20 1 7 < 1 Ketebalan (um) 100 2500 300 1500 100-300 Ukuran partikel (um) 5 100 20 90 5-45
Material Thermal Barrier Coating (TBC) Mampu menahan beban operasi mendekati titik lelehnya Mampu menahan degradasi mekanik pada temperatur tinggi Material Keramik Tidak mudah bereaksi dengan lingkungannya saat temperatur tinggi
Tabel perbandingan material TBC Material Thermal Barrier Coating ZrO 2 YSZ Mullite Al 2 O 3 SiO 2 TiO 2 La 2 ZrO 4 Titik leleh ( 0 C) 2600 2700 1850 2050 1726 1825 2300 Koefisien thermal (10-6 K -1 ) 15.3 11.5 5.3 9.6 10.3 9.4 9.1 Konduktifitas termal (W/mK) 2.17 2.12 3.3 5.8 2.08 3.3 1.56 Poisson Number (- 10 ) 0.25 0.22 0.25 0.26 0.17 0.28 0.28 *X.Q. Cao, et.al, 2004
Al 2 O 3 - Stabil temperatur tinggi - Kekerasan tinggi - Tahan oksidasi - Memiliki sifat ulet - Tahan oksidasi Mullite -Konduktifitas thermal kecil -High resistance oxidative - High thermal shock resistance SiO 2 *Giovanni Di Girolamo, et.al, 2010
Diagram Fasa Mullite
Baja 4340 Tabel Komposisi Kimia Baja AISI 4340 (ASMHandbook Vol. 1) UNSUR PADUAN wt (%) Carbon 0.38 0.43 Chromium 0.70 0.90 Manganese 0.60 0.80 Molybdenum 0.20 0.30 Nickel 1.65 2.00 Silicon 0.15 0.35
Tabel Perbandingan Material Nozel S45C Material nozel (4130) 4340 Density (kg/cm 3 ) 7.7 7.83 * 7.85 Modulus of elasticity ( 10 3 ksi) 28.89 29.0 * 21.0 Tensile Strength (Mpa) 686 710 1420 Yield strength (Mpa) 490 540 1325 * NASA Astrophysics Data System
BAB III METODOLOGI
Bahan Bahan Baja 4340 Serbuk NiAl Serbuk Silika Serbuk Alumina
PERALATAN Neraca Flame Spray Pyrometer Shieve Shaker Ball milling Las Oksiasetilen
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi material serbuk Serbuk Al 2 O 3 a b Gambar Serbuk Al 2 O 3 (a) sebelum, (b) setelah proses milling
Serbuk SiO 2 a b Gambar Serbuk SiO 2 (a) sebelum, (b) setelah proses milling
Serbuk campuran Al 2 O 3 dan SiO 2 a b Al 2 O 3 SiO 2 c (a) 80% Al 2 O 3 + 20% SiO 2 (b) 70% Al 2 O 3 + 30%SiO 2 (c) 60% Al 2 O 3 + 40% SiO 2
PROSES PELAPISAN SUBSTRAT 4340 SETELAH DI ABRASIVE GRIT BLASTING SETELAH DILAPISI NIAL SETELAH DILAPISI AL 2 0 3 - SiO 2
Proses pemanasan spesimen a b Gambar (a) proses pemanasan (b) spesimen yang telah di uji thermal
PENGUJIAN SAMPEL
Hasil Pengujian SEM Sebelum pengujian termal topcoat bondcoat substrat (a) 80% Al 2 O 3 + 20% SiO 2 (b) 70% Al 2 O 3 + 30%SiO 2 dan (c) 60% Al 2 O 3 + 40% SiO 2
Permukaan kasar Serbuk Silika mempunyai permukaan kasar Interpartikel friction menjadi lebih besar Flowability menjadi berkurang Serbuk saat dispray cenderung menumpuk Semakin banyak persen SiO semakin tebal lapisan
Setelah pengujian termal topcoat bondcoat substrat (a) 80% Al 2 O 3 + 20% SiO 2 (b) 70% Al 2 O 3 + 30%SiO 2 dan (c) 60% Al 2 O 3 + 40% SiO 2
Lapisan tidak rata Hasil morfologi lapisan yang tidak merata Menyebabkan adanya sudut yang dapat memicu initial crack Terjadi pengurangan tebal lapisan setelah uji thermal Saat uji thermal terjadi tekanan di lapisan pada temperatur 1400 0 C
Hasil Pengujian XRD a Sebelum pengujian termal b c (a) 80% Al 2 O 3 + 20% SiO 2 (b) 70% Al 2 O 3 + 30%SiO 2 dan (c) 60% Al 2 O 3 + 40% SiO 2
Setelah pengujian termal a b c (a) 80% Al 2 O 3 + 20% SiO 2 (b) 70% Al 2 O 3 + 30%SiO 2 dan (c) 60% Al 2 O 3 + 40% SiO 2
Sebelum thermal tidak terbentuk mullite?? Temperatur pada saat flame spray belum mencapai diatas1400 0 C Waktu pemanasan yang dibutuhkan untuk mullitization kurang
Hasil Pengujian Adhesifitas Semakin banyak SiO 2 semakin turun adhesifitas WHY??
Serbuk silika yang berbentuk kasar pada permukaannya Terjadi banyak porositas pada tiap serbuk kasar Ikatan antar partikel serbuk yang terbentuk rendah Semakin banyak serbuk silika menyebabkan kekuatan adhesifitas semakin menurun porositas
KESIMPULAN Persentase Al 2 O 3 berpengaruh terhadap adhesivitas lapisan, semakin banyak persen SiO 2 maka kekuatan adhesif lapisan semakin menurun Persentase Al 2 O 3 - SiO 2 mempengaruhi ketebalan lapisan yang terbentuk, semakin banyak persen SiO 2 maka semakin tebal lapisan yang terbentuk. Serbuk dengan persentase 70% Al 2 O 3 30%SiO 2 merupakan yang paling optimum untuk membentuk fasa mullite.
Sekian Pertanyaan?? Saran??