pengaruh variasi komposisi al2o3 pada lapisan...
TRANSCRIPT
PENGARUH VARIASI KOMPOSISI Al2O3 PADA LAPISAN KOMPOSIT Al2O3/YSZ DAN VARIASI JARAK SPRAY DENGAN METODE FLAME
SPRAY TERHADAP KETAHANAN TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ-Al2O3/YSZ DOUBLE LAYER THERMAL BARRIER COATING
UNTUK APLIKASI NOSEL ROKET
Muhammad Sofyan Lazuardi
2710100084
Dosen PembimbingDr. Widyastuti, S.Si, M.Si
• Uji coba Roket RX 550 menggunakan bahan bakar Hydroxyl Terminated Polybutadiene (HTPB) menghasilkan temperatur ~1200o C dengan berat propelan 1800 kg (Lapan, 2012)
• Uji coba Roket RX 320 menggunakan bahan bakar HTPB menghasilkan temperatur 872.5o Cdengan berat propelan 371 kg daya dorong mencapai 4,9 ton (Lapan, 2013).
Solusi
•Mengganti bahan Nozel yang sebelumnya menggunakan baja S45C dengan material Superalloy
•Melakukan coating pada permukaan dalam nosel sebagai penahan panas
• Bagaimana pengaruh komposisi Al2O3 pada lapisan kompositYSZ/Al2O3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dariYSZ-YSZ/Al2O3 double layer TBC?
• Bagaimana pengaruh variasi jarak spray terhadap sifat kelekatandan ketahanan termal dariYSZ-YSZ/Al2O3 double layer TBC?
• Bagaimana pengaruh dari lapisan komposit YSZ/Al2O3 dan jarakspray terhadap unsur lapisan yang dihasilkan sebelum dan setelahpengujian termal?
Rumusan 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.
Batasan Masalah
• Untuk menganalisa pengaruh variasi komposisi Al2O3 pada lapisan komposit Al2O3/YSZ terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ-Al2O3/YSZ double layer TBC.
• Untuk menganalisa pengaruh variasi jarak spray terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ- Al2O3/YSZ double layer TBC.
• Untuk menganalisa pengaruh dari lapisan komposit YSZ/Al2O3 dan jarak spray terhadap unsur yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal.
Tujuan 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.
Manfaat Penelitian
• 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
S– Substrate – Lapisan paling bawah. Merupakan material yang akan dilapisi. Umunya logam/paduan/paduan super
BC – Bond Coat – Lapisan tengah. Merupakan material pengikat umumnya. Terbuat dari MCrAlY
alloy.
Tinjauan Pustaka
TGO (Thermally Grown Oxide)
Adanya porositas pada topcoat
Temperatur kerja yang tinggi
Oksigen masuk
M + O = MO
Komposit YSZ/Al2O3
Mengganti bond coat
MCrAlY dengan
YSZ/Al2O3
C. Ren, 2011
Membandingkan YSZ
dengan YSZ/Al2O3
Mehdi, 2012
Membandingakan
YSZ/Al2O3 APS dan HVOF
Karaoganli, 2011
Substrat Hastelloy X
Properti Temperatur (oC) NilaiTitik Leleh - 1260-1355o CResistivitas Elektrik 22 118.36 microhm.cmKonduktifitas Termal 21 9.1 W/m.K
200 14.1 W/m.K927 27.2 W/m.K
Panas Spesifik Room 486 J/Kg.K538 544 J/Kg.K1093 858 J/Kg.K
CTE 25-100 13.0 x 10-6 m/m.oC25-500 14.5 x 10-6 m/m.oC25-700 15.6 x 10-6 m/m.oC
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%
Top Coat YSZ
PropertiesMaterial Thermal Barrier Coating
ZrO2 YSZAl2O3 +
SiO2
Al2O3 SiO2 TiO2 La2ZrO7
Titik leleh (oC) 2700 2700 2123 2323 1726 1825 2300Koefisien ekspansi
thermal (10-6 K -1)15.3 11.5 5.3 9.6 10.3 9.4 9.1
Konduktifitas
thermal (Wm-1 K-1 )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
Optimalisasi lapisan YSZ : • Penambahan lapisan komposit YSZ/ Al2O3
• Parameter spray
(X.Q. Cao dkk., 2004)
Flame Spray
Proses
AliranGas
(m3/h)
TemperaturKeluaranNyala Api
(oC)
KecepatanTumbukan
(m/s)
KekuatanLekat
Relatif *
KekuatanKohesif
Feed Rate Maksimum
(gr/min)
Flame Spray 11 2200 30 3 Rendah 117
HVOF 28-57 3100 610-1060 8 Sangat tinggi 233
Conventional Plasma Spray
4.2 5500 240 6 Tinggi 83
High-Energy Plasma Spray
17-28 8300 240-1220 8 Sangat tinggi 383
Vacuum Plasma Spray
8.4 8300 240-610 9 Sangat tinggi 167
* = 1 (rendah) sampai 10 (tinggi)
Metode Penelitian
Start
Studi Literatur
Preparasi
Spesimen
Karakterisasi Serbuk YSZ,
Al2O3 dan MCrAlY
Mixing Serbuk 8YSZ dan
Al2O3
Proses pelapisan Hastelloy® X dengan bond coat
MCrAlY top coat 8YSZ- Al2O3/YSZ dengan variasi
presentasi berat Al2O3
Pemotongan
spesimen
Preparasi Serbuk 8YSZ,
Al2O3 dan MCrAlY
Proses Sand
Blasting
5% Al2O3 - 95%
8YSZ
15% Al2O3 - 85%
8YSZ
30% Al2O3 - 70%
8YSZ
A
Spray Distance:
200 mm, 250 mm dan 300
mm
Pull Off Test
Analisa Data dan Pembahasan
Pengumpulan Data
Finish
Thermal TGA 1100o
C,10oC/min
SEM-EDX dan XRD
SEM-EDX dan XRD
A
Thermal Torch
Test
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% Y2O3 - ZrO2 (8 YttriaStabilized Zirconia/8YSZ) – Metco204NS
• Serbuk Al2O3 (Alumina)• Serbuk MCrAlY –Amdry 962 - Ni = bal.,
Cr = 21-23%, Al = 9-11%, Y = 0.8-1.2%• Spesimen Hastelloy X
a) Uji Termal dan Adhesiveb) Uji TGA
3 m
m
3 mm
6 m
m
25.4 mm
(b)(a)
Rancangan TBC
YSZ
NiCrAlY
Hastelloy X
YSZ/Al2O3
200 µm
80 µm
100 µm
8% Y2O3 - ZrO2 (Metco 204NS)
8% Y2O3 - ZrO2 (Metco 204NS) - Al2O3 (Merck)
MCrAlY (Amdry 962)
Parameter Spray yang Digunakan
Lapisan Arus(A)
Voltage(V)
Jarak Spray (mm) Feed rate (g/min)
Tebal(µm)
YSZ Top Coat
600 75 150 200 250 14 200
YSZ/Al2O3 600 75 150 200 250 14 80
Bond Coat 600 75 150 200 250 14 100
Pengujian
• Thermal Torch Test – Melihat Ketahanan Thermalterhadap penetrasi dari nyala api las – Las Oxy
• Non-Isotermal Oxidation Test – Melihat pertumbuhandan struktur Oksida (TGO) – Menggunakan TGA
• Pull Off Test – Melihat Besar Kekuatan Lekat – Alat PullOff (ASTM D4541)
• SEM-EDX – Struktur mikro dan kandungan unsurcoating
• XRD – Perubahan fasa setelah pengujian termal
Hasil SEM
Hasil Pengujian SEM Permukaan
Coating Pada Perbesaran 250x
(a)YSZ/Al2O3 5%, 150mm,
(b)YSZ/Al2O3 5%, 200mm
(c) YSZ/Al2O3 5%, 250mm
(d)YSZ/Al2O3 15%, 150mm
(e) YSZ/Al2O3 15%, 200mm
(f)YSZ/Al2O3 15%, 250mm
(g)YSZ/Al2O3 30%, 150mm
(h) YSZ/Al2O3 30%, 200mm
(i)YSZ/Al2O3 30%, 250mm
Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 5%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 15%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Hasil SEM dan EDX Setelah Flame Spray
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 30%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 5%, 200mm Setelah Uji Termal
Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 15%, 200mm Setelah Uji Termal
Hasil SEM dan EDX Setelah Uji Termal
Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3 30%, 200mm Setelah Uji Termal
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
Hasil Uji Thermal Torch Oxy
1 = Cekung/coating mengelupas, 2 = Lubang kecil/dangkal3 = Lubang besar/dalam, 4 = Sampel hancur/rusak parah
Grafik Tingkat Kerusakan SetelahPengujian Thermal Torch
Komposisi Jarak
Spray
(mm)
Kekuatan Lekat
(MPa)
Rata-rata
1 2 3
YSZ/Al2O3
5%
150 14.11 11.3 14.47 13.29333333
200 10.67 18.46 11.1 13.41
250 15.68 9.36 9.73 11.59
YSZ/Al2O3
15%
150 7.52 15.69 7.98 10.39666667
200 13.25 9.34 14.42 12.33666667
250 11.6 13.85 12.57 12.67333333
YSZ/Al2O3
30%
150 21.74 21.28 20.4 21.14
200 20.36 20.08 20.78 20.40666667
250 17.35 21.05 16.85 18.41666667
Hasil Pengujian Pull-Off
Grafik Hubungan antara Kelekatan denganKomposisi Al2O3 dan Jarak Spray
Kesimpulan dan Saran
1. Komposisi Al2O3 pada lapisan komposit YSZ/ Al2O3 memberikan pengaruh pada sifat kelekatan
dengan nilai kelekatan rata-rata pada komposisi YSZ/Al2O3 5% 12,76 MPa; YSZ/Al2O3 15% 11,79
MPa dan YSZ/Al2O3 30% 19,98 MPa yang membuktikan bahwa YSZ/Al2O3 30% memiliki
kekuatan lekat paling baik.
2. Komposisi Al2O3 pada lapisan komposit YSZ/ Al2O3 memberikan pengaruh pada ketahanan
termal dengan nilai oksidasi dari hasil pengujian EDX yang menunjukkan nilai O setelah
pengujian termal pada komposisi YSZ/Al2O3 5% 25.29wt%, YSZ/Al2O3 15% 14.35wt% dan
YSZ/Al2O3 30% 11.83wt% yang membuktikan bahwa YSZ/Al2O3 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/Al2O3 5% 13,41 MPa; YSZ/Al2O3 15%
12.34 MPa danYSZ/Al2O3 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/Al2O3 5%, 2;YSZ/Al2O3 15% 2,33 danYSZ/Al2O3 30% 1,66.
5. Lapisan komposit YSZ/Al2O3 dan jarak spray berpengaruh terhadap unsur sebelum pengujian
termal dengan didapatkan fasa t-ZrO2, m-ZrO2 dan Al2O3 untuk tiap komposisi pada pengujian
XRD.
6. Lapisan komposit YSZ/Al2O3 dan jarak spray berpengaruh terhadap unsur setelah pengujian
termal dengan didapatkan fasa t-ZrO2, m-ZrO2, Al2O3 dan peak baru berupa CrO pada
pengujian XRD, dengan peak yang paling tinggi ditunjukkan pada komposisi YSZ/Al2O3 5% dan
paling rendah pada komposisi YSZ/Al2O3 30%.
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.
Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)
(1173o C)
(2370 o C)
(2690o C)
Melt Melt
(2000o C)
(500o C)
Cubic
Tetragonal
Monoclinic
(2700o C)
Cubic
Tetragonal + Cubic
Monoclinic + Cubic
ZrO2 7-8wt% YSZ
7-8 wt% YSZ
A.C Karaoganli, E.
Altucu, I. Ozdemir,
A. Turk, F. Ustel
(2011)
Melapiskan 35%Al2O3 – 65% 8YSZ dengan 2
cara HVOF dan APS, mengamati ketahan
termalnya terhadap beban siklik
Menambahkan 35% Al2O3 sukses menaikkan
life time dari YSZ dan menaikkan property
mekanik pada 1200o C. HVOF memiliki life time
lebih randah dari APS, APS lebih adherence.
C. Ren, Y.D He, D.R
Wang (2011)
Melapiskan komposit YSZ/Al2O3 (95% YSZ -
5%Al2O3) pada daerah diantara YSZ dan
Substrat dengan kata lain C. Ren dkk
mencoba mengganti lapisan bond coat (BC)
konvensional MCrAlY dengan komposit
YSZ/Al2O3. Termal Oxidation Test pada
1000oC dan 1100oC 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.
Qinghe Yu,
Chungen Zhou,
Huiyan Zhang,
Feng Zhao
(2010)
13% Al2O3-8YSZ, Variasi Waktu
Temperatur Treatment 25 jam,
100 jam dan 300 jam pada 1100o
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.