Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
PENGARUH VARIASI FEED RATE DAN JUMLAH SAPUANKOMPOSIT YSZ-AL2O3 TERHADAP KETAHANAN TERMAL DANKEKUATAN LEKAT PADA YSZ/YSZ-AL2O3 DOUBLE LAYER TBC
UNTUK APLIKASI NOSEL ROKET
Chaizi Nasucha27 11 100 079
PENDAHULUANPENDAHULUAN
(Rycroft, 2010).
Roket Yang DiproduksiDi Indonesia
Berat ideal
23 % berat bahan bakar 91 % berat bahan bakar
33 % berat struktur 3 % berat struktur
44 % berat muatan 6 % berat muatan
Latar Belakang
Nosel (Nozzle) Roket adalah :bagian roket yang berfungsi untukmenimbulkan momentum dari gas hasilpembakaran (800-2000 ◦C)
Material Nosel Roket
Tahan temperatur tinggi
Ringan
Kekuatan tetap tinggi pada temperatur tinggi
Tahan creep dan termal shock
Kekerasan tinggi
NOSELNOSELMaterialMaterial PelapisanPelapisan
Pelapisan B4C pada S45CdanST37 dengan Powder Packed
( Ratih, 2004)
Pelapisan Al2O3 -SiO2sebagai Thermal Barrier
Coating untuk nosel(Agi,kukuh,alfian ,
Ridwan 2013)
Inserting grafit pada nozzle roket(LAPAN, 2008)
Titanium Base Alloy(LAPAN, 2008)
Sauman (2010)Menggantikan bahan struktur noseldengan menggunakan material keramik(Alumina Al2O3 atau stabilized ZirconiaZrO2)+ Fiberglass (GFRP) atau CarbonPhenolic (CFRP) setebal 3 - 5 mm.
Membuat nosel roketdengan metode cor
(casting)dengan materialpaduan super Ti-6AI-4V.
(Siahaan 2010)
Pelapisan SiO2-Y2O3-Al2O3 sebagai ThermalBarrier Coating untuknosel (Ghofur 2014)
Pelapisan YSZ/YSZ-Al2O3
sebagai Thermal BarrierCoating untuk nosel
(Parindra, Lazuardi2014)
Road Map
VariabelProses
VariabelProses
FeedrateFeedrate
SprayDistance
Sapuan(pass)
Komposisi
Serbuk
Komposisi
Serbuk
Thermal Barrier Coating adalahinsulator untuk hot component dari
lingkungan yang oxidative
Metode Penelitian
Flame sprayKekurangan:Temperatur api ↓kecepatan serbuk ↓(30m/s)Parindra
(2014)Lazuardi(2014)
Komposisi Komposisi
JarakSprayFeed Rate
14 gr/min17 gr/min20 gr/min
1x2x3x
M Valefi (2012)
Saremi (2013) Memvariasikan feed rate dari proses spraymemberikan kesimpulan bahwa dengan semakin tingginya feedrate akan membuat struktur dari pelapisan semakin padat dantebal ini akan membantu untuk mencapai tebal yangdiharapkan dengan kepadatan yang optimal.
• Ketahanan oksidasi dan spallation dapat ditingkatkan denganmeningkatkan jumlah lapisan
Gambar Kurva kinetika Cyclic oxidation pada 1000◦C untuk 400jam (a) weight gain per unit area versus waktu;(b) spallation per unit area versus waktu
Yunqi Yao (2013)
• Bagaimana pengaruh jumlah sapuan pada lapisan kompositYSZ-Al2O3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termaldari YSZ/YSZ-Al2O3 double layer TBC.1.
• Bagaimana pengaruh feed rate pada lapisan komposit YSZ-Al2O3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dariYSZ/YSZ-Al2O3 double layer TBC.2.
• Bagaimana pengaruh dari jumlah sapuan dan feed ratepadalapisan komposit YSZ-Al2O3 terhadap struktur mikro yangdihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal.3.
Rumusan Masalah
1• Pencampuran serbuk keramik dianggap
homogen.
2• Unsur pengotor dan faktor lingkungan
dianggap tidak berpengaruh.
Batasan Masalah
1.• Untuk mengetahui pengaruh jumlah sapuan pada lapisan komposit YSZ-Al2O3 terhadap sifat
kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ/YSZ-Al2O3 double layer TBC.
2.• Untuk mengetahui pengaruh feed rate pada lapisan komposit YSZ-Al2O3 terhadap sifat
kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ/YSZ-Al2O3 double layer TBC
3.
• Untuk mengetahui pengaruh dari jumlah sapuan dan jarak flame spray pada lapisan kompositYSZ-Al2O3 terhadap struktur mikro yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal.
Tujuan
• Dapat menghasilkan lapisan komposit keramik pada nosel roketyang memiliki sifat kelekatan yang baik, dan stabil terhadaptemperatur tinggi.1
• Penelitian ini juga dapat digunakan sebagai referensi penelitianselanjutnya untuk terus mengembangkan teknologi pelapisandan memajukan dunia penerbangan antariksa nasional demimenunjang bidang pertahanan dan keamanan bangsa.
2
Manfaat
Tinjauan Pustaka
Thermal Barrier Coating adalah insulator untuk hotcomponent dari lingkungan yang oxidative (brodin, 2006).
Menurut penelitian yang dilakukan oleh Sulistijono dan Lukman(2007), mengatakan lapisan 1-200 µm TBC mampu menurunkantemperatur permukaan substrat hingga 200o C
Biasanya, TBC yang terdiri dari empat lapisan yaitu:a. Zona keramik terluar, →konduksi termal yang rendah
diperlukan. (biasanya YSZ)b. Bond coat → kerentanan terhadap kerapuhan yang rendah
(biasanya MCrAlY)c. Lapisan barrier oxides TGO (thermally grown oxide), →
untuk menghambat proses oksidasi pada bond coat(biasanya Al2O3)
d. Substrat → memiliki kekuatan tinggi pada temperatur tinggi(biasanya Superalloy)
Gambar Skema Coating Construction Pada Barrier Layers DanPeran Dari Masing-Masing Sub-Layers (Moscal,2009)
Thermal Barrier Coating (TBC)
Proses Thermal Spray Dan Bagiannya(Handbook of Thermal Spray Technology,2004)
Skema proses termal spray(Handbook of Thermal Spray Technology,2004).
Metode Thermal Spray
Jenis-Jenis Parameter Proses PadaTermal Spray (Handbook of Thermal
Spray Technology,2004).
Flame Spray
Flamespray
JetTemperatur jet, K 3500Kecepatan jet, m/s 50-100Particle feedTemperatur partikel(max), oC 2500
Kecepatan partikel, m/s 50-100Material feed rate, g/min 30-50Deposit/coatingDensitas (%) 85-90Kekuatan lekat, Mpa 7-18
Oksida Tinggi
Komposisi Hastelloy® X (Haynes Internasional, 1997)
Properti Fisik dari Hastelloy® X (Haynes Internasional, 1997)
HASTELLOY X
Properti Temperatur(oC)
Nilai
Titik Leleh - 1260-1355oCResistivitas 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
Koefisien TermalEkspansi
25-100 13.0 x 10-6 m/m.oC25-400 14.2 x 10-6 m/m.oC25-700 15.6 x 10-6 m/m.oC
Ni Cr Fe Mo Co W C Mn Si B47a 22 18 9 1.5 0.6 0.1 1* 1* 0.00
8
Sifat Nilai
konduktivitas termal di 1000 ° C 2.3 Wm-1K-1
Besar ekspansi termal 11 × 10-6 ° C-1
titik leleh 2700o CModulus Elastisitas E=50 GPaDensitas 2,3 gram/cm3
Sifat-sifat yang dimiliki oleh YSZ yaitu:
Konduktivitas Termal ↓ Ekspansi Termal ↑ InertTahan
Erosi ↑Titik Leleh ↑
YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)
Gambar Serbuk YSZ
Sulzer Metco
Kajian Penelitian yang Pernah Dilakukan Membahas Masalah Komposit TBC
Komposit Al2O3/YSZ
Bond Coat yang paling sering digunakan adalah alumides (NiAlatau Ni2Al) dan MCrAlY. MCrAlY (M untuk Ni dan/atau Co)
Bond coat adalah lapisan transisi yang membuat TBC dapatmelekat lebih kuat pada substrat.
Tujuan :1.melindungi material base (superalloys) terhadap temperaturoksidasi yang tinggi,2. Sebagai pengikat TC dengan substrat3. untuk meningkatkan efisiensi mesin.
Kandungan pada MCrAlY:Cr : 5-38%,Aluminium: 8-13%,Yttrium: 0.5-1%
MCrAlY Bond coat
Gambar Serbuk NiCrAlY
Sulzer Metco
Skema Proses Transfer Panas dari Struktur Double LayerTBC
Ketebalan Coating Ditinjau dari Transfer Panas
YSZ
YSZ-Al2O3TGO
BC
Substrate
230120
ketebalan di antara 1 sampai 10 µm yang terdiridari fase utama α-Al2O3 dan fase minor Cr2O3,NiO, Ni (Al, Cr) 2O4 spinel.
Thermally Grown Oxide (TGO)
Adanya porositas padatopcoat
Temperatur kerja yangtinggi
Oksigen masuk
M + O = MO
(Zhu,2012)
METODOLOGIMETODOLOGI
Diagram Alir Penelitian
1. Hastelloy ® X 3. Serbuk MCrAlY ̴ 106±53 µm
2. Yttria Stabilized Zirconia/8YSZ ̴ 100 µm
4. Serbuk Al2O3 (Alumina) ̴ 100 µm
Bahan
5. Serbuk Pasir Alumina
Neraca analitikSiever Shaker Ball mill
Dryer
Grit Blasting
Termometer IR
Flame Spray
Las oksiasetilenXRD SEM Alat pull off
Peralatan
Alat Uji Kekasaran
• Melakukanpengeringan untuk
menghilangkankadar air
Drying
• Melakukanpengayakan dengan
siever gunamendapatkan
distribusi ukurang angmerata
• Ukuran serbuk YSZ 100µm, Al2O3 10 µm
Sieving• Mencampurkan
serbuk dengankomposisi 30 %Al2O3
Mixing
Pengukuran Kekasaran (Kekasaran10 µm (DSMTS Sulzer Metco, 2013))
Melakukan Sand Blasting
Memotong Hastelloy X
PreparasiSpesimenHastelloy
Preparasi Serbuk
Preparasi Spesimen Hastelloy Dan Serbuk
sapuanYSZ-Al2O3
Feed Rate(gr/min)
Hasil Pengujian
TGA(% m vs T)
Thermal Torch (t)Pull Off Test
(MPa)
1 14
17
20
2 14
17
20
3 14
17
20
9 sampel 27 sampel 27 sampel
Rancangan Penelitian
1. Melakukan persiapan pada alat spray dengan parameter spray
2. Memanaskan substrat pada temperatur 200o C
3. Melakukan spraying serbuk Amdry 962 (MCrAlY) sebagai lapisan bond coat dengan tebal lapisan yangdiinginkan ~120 µm dan parameter seperti pada tabel
4. Melakukan spraying serbuk komposit Al2O3/YSZ dengan parameter yang telah direncanakan.
5. Melakukan spraying serbuk YSZ sebagai top coat dengan tebal ~230 µm dan parameter seperti pada tabel
Proses Spraying
Lapisan Komposisi (%) Jarak Spray (mm) Feed Rate (g/min) Sapuan Tebal(µm)YSZ top coat - 200 20 20 20 - 230YSZ/Al2O3 30 200 14 17 20 1 2 3 -Bond coat - 200 20 20 20 - 120
• Pull Off Test – Melihat Besar Kekuatan Lekat – Alat Pull Off (ASTM D4541)• Thermal Torch Test – Melihat Ketahanan Thermal terhadap penetrasi dari nyala api
las – Las Oxy Acetylene• Uji TGA – Melihat pertumbuhan dan struktur Oksida (TGO)• XRD – Perubahan fasa setelah pengujian termal• SEM – Struktur mikro coating
Pengujian
ANALISA DATADAN
PEMBAHASAN
ANALISA DATADAN
PEMBAHASAN
Karakterisasi Awal Serbuk
a. Serbuk YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia)
Element Wt % At %O K 29.59 70.48Y L 09.76 04.19ZrL 60.64 25.33
Ukuran Butir Rata-rata 71.88 µm
Bentuk Spherical
Karakterisasi Awal Serbuk
Serbuk Al2O3 (Alumina)
Element Wt % At %O K 47.86 60.75AlK 52.14 39.25
Ukuran butir rata-rata 37.7 µm
Bentuk poligonal dengan permukaanyang kasar dan struktur cenderungmembulat
Karakterisasi Awal SerbukSerbuk NiCrAlY
Element Wt % At %C K 08.19 22.26O K 09.62 19.65AlK 18.45 22.33Y L 03.57 01.31CrK 19.39 12.18NiK 40.77 22.27
Ukuran butir rata-rata 87,98 µm
Bentuk spherical
Hasil Preparasi dan Hasil Coating
Nilai kekasaran= 50-60 µm
Spesimen Uji Pull Offdan Thermal Torch
Spesimen Uji TGA
Sebelum Sand Blasting Setelah Sand Blasting
Lapisan Bond Coat Lapisan YSZ-Al2O3 Lapisan YSZ
Gambar 4.12 Gambar Sampel Hasil Pengujian Kekuatan Lekat(a) 14 gr/min-1x, (b) 14 gr/min -2x, (c) 14 gr/min -3x(d) 17 gr/min -1x, (e) 17 gr/min -2x, (f) 17 gr/min -3x(g) 20 gr/min -1x, (j) 20 gr/min- 2x,(k) 20 gr/min- 3x
Tabel 1.1 Hasil Pengujian Pull Off
Eksperimen
Variabel Kekuatan lekatFeed rate(gr/min) Sapuan
I II III Rata-rata
1 14 1 17.35 20.25 17.22 18.27
2 14 2 15.31 14.43 15.21 14.98
3 14 3 13.23 14.69 14.77 14.23
4 17 1 23.05 22.55 22.98 22.86
5 17 2 21.73 21.04 20.71 21.16
6 17 3 18.24 21.24 20.98 20.15
7 20 1 14.38 15.36 16.21 15.32
8 20 2 13.37 15.78 14.58 14.58
9 20 3 11.84 12.91 14.23 12.99
Rata -rata 17.17
Hasil Uji Pull off
a. Analisa Kuantitatif Mengunakan Metode Taguchi
Level VariabelFeed rate (A) Sapuan (B)
1 14 gr/min 1x
2 17 gr/min 2x
3 20 gr/min 3x
Tabel 4.1 Variabel dan Level Penelitian
Kombinasi level optimum:A2 = feed rate 17 gr/minB1 = sapuan 1x
untuk mencari variabel yang berpengaruh terhadap respon digunakanmetode taguchi pada variasi karakteristik kualitas semakin besar kekuatanlekat, semakin baik ( larger is better) :
Keterangan :n : jumlah pengulangan dari suatu percobaany : nilai kekuatan lekat
Hasil Uji Pull off
A B
level 1 23.90 25.34
level 2 26.57 24.41
level 3 23.03 23.75
selisih 3.54 1.59
peringkat 1 2
Hasil Uji Pull off
b. Analisa Kuantitatif Metode Taguchi dengan Minitab
Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variabel terhadap respon.
Analysis of Variance for SN ratios
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F Pfeed rate 2 20.4264 20.4264 10.2132 80.98 0.001sapuan 2 3.8176 3.8176 1.9088 15.14 0.014Residual Error 4 0.5045 0.5045 0.1261Total 8 24.7484
Ditentukan nilai α sebesar 10% (0.10). Jadi jika P < 0.1 => signifikanP > 0.1 => tidak signifikan
Variabel feed rate dan sapuan berpengaruh signifikan
Persen kontribusi masing masing variabel yang signifikan terhadap respon
Variabel A (feed rate) 81.52 %
variabel B (sapuan) 14.41 %
Pengujian Thermal Torch
Gambar 4.14 Gambar Sesudah Pengujian Thermal TorchOxyacetylene,
(a) 14 gr/min-1x, (b) 14 gr/min -2x, (c) 14 gr/min 3x(d) 17 gr/min -1x, (e) 17 gr/min -2x, (f) 17 gr/min -3x(g) 20 gr/min -1x, (j) 20 gr/min- 2x,(k) 20 gr/min- 3x
a. Analisa Kuantitatif Mengunakan Metode Taguchi
Rasio S/N (Signal to Noise) dengan karakteristik kualitassemakin kecil selisih massa dan volume kerusakan,semakin baik. (smaller is better).Rumus :
Keterangan:n: jumlah pengulangan dari suatu percobaany: nilai volume kerusakan
A Blevel 1 19.55 21.50level 2 23.43 19.97level 3 17.41 18.92
selisih 6.02 2.59peringkat 1 2
A Blevel 1 -2.62 0.54level 2 1.67 -1.08level 3 -3.19 -3.61selisih 4.86 -4.15
peringkat 1 2
Kombinasi Level Optimum
Pendekatan pengukuran selisih massa spesimenA2 = feed rate 17 gr/minB1 = sapuan 1x
Pendekatan MassaPendekatan Volume
Pendekatan pengukuran volume kerusakan spesimenA2 =feed rate 17 gr/minB1 = sapuan 1x
Persen Kontribusi
Feed rate 75.984 %
Sapuan 11.194 %
Persen Kontribusi
Feed rate 58.273 %
Sapuan 35.600 %
Pengujian Thermal Torch Oxyacetylene
Pendekatan MassaPendekatan Volume
Analysis of Variance for SN ratiosSource DF Seq SS Adj SS Adj MS F PA 2 55.826 55.826 27.913 24.71 0.006B 2 10.151 10.151 5.076 4.49 0.095Residual Error 4 4.519 4.519 1.130Total 8 70.496
Analysis of Variance for SN ratiosSource DF Seq SS Adj SS Adj MS F PA 2 42.317 42.317 21.1585 39.05 0.002B 2 26.273 26.273 13.1366 24.24 0.006Residual Error 4 2.168 2.168 0.5419Total 8 70.758
Pengujian Kekasaran Permukaan
Rata rata Kekasaran 236.34 µm
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Gambar 4.20 Grafik Distribusi Normal Nilai Kekasaran Permukaan
LevelPersentasePorositas
LevelPersentasePorositas
14 gr/min 48,00 1x 42,67
17 gr/min 34,67 2x 40,00
20 gr/min 40,00 3x 40,00
VariabelFeed rate Sapuan
Tabel 4 Presentasi Porositas
Hasil Pengujian TGA
Grafik mg-T(Penambahan Massa-Temperatur)
Grafik Analisa 1st Derivative TGA Pada Tiapspesimen
0.3301
0.0789
0.0467
0.12650.1507
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Hastelloy 14 1x 17 1x 20 1x 20 3x
Pena
mba
han
Mas
sa
Variasi Sampel
Grafik Perbandingan Gradien Perubahan Massa
Hasil Pengujian XRD
Sebelum Uji Termal Setelah Uji Termal
t-ZrO2 , m-ZrO2, Al2O3 t-ZrO2 , m-ZrO2, Al2O3, α-Al2O3, AlNi3
Hasil Pengujian SEM
Unmelted
Semi-Melted
Melted
Gambar 4.25 Hasil Pengujian SEM Permukaan Coatingpada Perbesaran 2000x
Gambar 4.26 Hasil Pengujian SEM Permukaan Coating PadaPerbesaran 250x
Grafik Persentase Luasan Porositas Pada Permukaan HasilCoating
Gambar 4.28 Hasil Pengujian SEM Penampang Pada Perbesaran 250x(a) 14 gr/min-1x, (b) 14 gr/min -2x, (c) 14 gr/min 3x(d) 17 gr/min -1x, (e) 17 gr/min-2x, (f) 17 gr/min -3x(g) 20 gr/min -1x, (j) 20 gr/min- 2x,(k) 20 gr/min- 3x
Gambar 4.29 Densitas dari Setiap Variasi Sampel
Tebal TGO 4.20 µm
Gambar 4.30 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 14gr/min-1x Sebelum Uji Termal
Tebal TGO 2.62 µm
Gambar 4.31 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 17gr/min-1x Sebelum Uji Termal
Tebal TGO 4.05 µm
Gambar 4.32 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 20gr/min-1x Sebelum Uji Termal
Tebal TGO 5.72 µm
Gambar 4.33 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 20 gr/min-3xSebelum Uji Termal
Tebal TGO 6.01 µm
Gambar 4.34 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 14 gr/min-1xSetelah Uji Termal
Tebal TGO 3.29 µm
Gambar 4.35 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 17 gr/min-1xSetelah Uji Termal
Tebal TGO 7.87 µm
Gambar 4.36 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 20 gr/min-1xSetelah Uji Termal
Tebal TGO 8.18 µm
Gambar 4.37 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x Sampel 20 gr/min-3xSetelah Uji Termal
Rata- rata 4.15 6.34
Terima Kasih