View
227
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Abstrak ‒ DL-TBC (Double Layer Thermal Barrier
Coating) dengan struktur YSZ-YSZ/Al2O3 top coat dan MCrAlY
sebagai bond coat digunakan sebagai aplikasi material perintang
panas pada dinding dalam nosel roket. Pelapisan dilakukan
dengan variasi kandungan dari Al2O3 pada lapisan komposit
YSZ/Al2O3, yaitu 5, 15 dan 30% Al2O3. Pada penelitian ini bond
coat dan top coat dilapiskan dengan menggunakan metode Flame
Spray dengan variasi jarak spray 150, 200 dan 250mm. Kemudian
dilakukan pengujian termal, pull off test dan SEM-EDX XRD.
Pengujian termal yang dilakukan yaitu Thermal Torch Test dan
Uji Termal TGA.
Dari hasil penelitian didapatkan, jarak spray makin jauh
menyebabkan struktur yang cenderung berporos. Kandungan
YSZ/Al2O3 30% menghasilkan pertumbuhan TGO paling rendah.
Pengujian TGA menunjukkan semua sampel mulai teroksidasi
pada temperatur 960oC. Dari pengujian XRD sampel yang
memiliki fasa yang stabil adalah YSZ/Al2O3 30%. Kekuatan lekat
paling tinggi juga terdapat pada kandungan YSZ/Al2O3 30%,
150mm dengan nilai 21,14 MPa.
Kata kunci : TBC, Nosel Roket, YSZ/Al2O3, TGO, Kekuatan
Lekat
I. PENDAHULUAN
Roket merupakan salah satu alat yang digunakan dalam
bidang pertahanan dan keamanan. Selain itu, saat ini roket juga
memasuki masa pengembangan untuk digunakan sebagai alat
transportasi. Salah satu bagian paling penting dari roket adalah
propulsion system, atau sistem penggerak. Pada bagian ini
terdiri atas fuel, oxidizer, pump, dan nozzle. Nosel (nozzle)
adalah bagian dari roket yang sangat vital, karena pada nosel
memiliki temperatur kerja yang tinggi sekitar 800o-2000o C
(yang bergantung pada jenis popelan yang digunakan) dan
aliran gas yang tinggi, nosel juga berperan sebagai pengendali
arah gerak dari suatu roket.
Dari permasalahan diatas, dibutuhkan material yang
mampu bekerja dengan baik pada temperatur sekitar 800o-
2000o C. Maka dari itu pada penelitian ini menggunakan
material superalloy yang dilapisi dengan material keramik
(Thermal Barrier Coating) untuk menyesuaikan dengan
kondisi kerja dari nosel yang bertemperatur yang sangat tinggi.
Material superalloy yang digunakan pada penelitian
ini adalah Hastelloy X, karena memenuhi spesifikasi material
yang tahan pada temperatur tinggi dan mempunyai sifat
mekanik yang sangat baik serta weldability dan formability
yang baik. Untuk coating digunakan material keramik berupa
8YSZ (ZrO2 – 8wt% Y2O3) karena memiliki ketahanan yang
baik pada temperatur tinggi dan memiliki koefisien termal yang
hampir sama dengan Hastelloy X sehingga akan mengurangi
tegangan akibat perbedaan koefisien termal. Selain itu, juga
ditambahkan lapisan komposit Al2O3/YSZ diatas lapisan
bondcoat agar ketahanan termalnya semakin baik. Pada
penelitian sebelumnya dilakukan dengan 95% YSZ - 5%Al2O3
yang menghasilkan struktur TBC yang lebih tahan terhadap
oksidasi karena Al2O3 merupakan bahan penghalang oksigen
yang baik untuk mencegah lapisan TBC kehilangan kelekatan
karena munculnya lapisan TGO (Thermally Grown Oxide) [1].
Untuk mendapatkan sifat lapisan yang baik, maka
perlu parameter spray yang baik. Pelapisan dilakukan dengan
metode Flame Spray dengan variasi spray distance. Oleh
karena itu, pada penelitian ini dilakukan pelapisan pada substrat
Hastelloy X yang bertujuan untuk mengetahui bagaimana
pengaruh variasi komposisi Al2O3 pada lapisan komposit
YSZ/Al2O3 dan jarak spray terhadap kekuatan lekat dan
ketahanan termal (oksidasi dan beban kejut) dari struktur TBC
untuk menghasilkan sifat lapisan yang paling optimal pada
aplikasi nosel roket.
II. METODE PENELITIAN
Serbuk 8YSZ (Metco 204NS, USA) yang digunakan
memiliki ukuran partikel 125±11 µm. Serbuk Al2O3 yang
digunakan merupakan γ-Al2O3 (Merck, Jerman) dengan ukuran
butir rata-rata sebesar 100 µm. Bondcoat yang digunakan
berupa senyawa NiCrAlY (Amdry 962 Sulzer Metco, USA)
dengan kandungan Ni = bal., Cr = 21-23%, Al = 9-11%, Y =
0.8-1.2% dan ukuran butir rata-rata 106±53 µm. Substrat
Hastelloy X (Haynes Int., USA) dipotong dengan ukuran d = 1
inch dan t = 6 mm untuk sampel uji tekan dan Termal Torch
sedangkan 3x3x3 mm untuk sampel uji TGA, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 1. Preparasi dilakukan dengan
mencampurkan serbuk 8YSZ dengan Al2O3 menggunakan
Siever Shaker dengan variasi komposisi Al2O3 5%, 15% dan
30%. Proses sand blasting pada substrat Hastelloy X dilakukan
untuk mengkasarkan permukaan substrat sebelum dilapisi.
Proses pelapisan dilakukan dengan metode flame spray dengan
parameter spray seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Dimana
jarak spray divariasikan sebesar 150, 200 dan 250mm. Diawali
dengan melapiskan bond coat pada substrat kemudian lapisan
YSZ/Al2O3 dan terakhir lapisan YSZ paling luar.
PENGARUH KANDUNGAN Al2O3 DAN JARAK FLAME SPRAY TERHADAP KETAHANAN
TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ-YSZ/Al2O3 DL-TBC UNTUK NOSEL
ROKET
Muhammad Sofyan Lazuardi dan Widyastuti
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: wiwid@mat-eng.its.ac.id
2
Gambar 1. Dimensi spesimen (a) Uji Thermal Torch dan Pull Off,
(b) Uji TGA
Tabel 1. 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
Setelah selesai dilapisi spesimen dilakukan pengujian
Thermal Torch dengan busur las oxyacetylene selama 35 detik
dan diamati kerusakan yang terjadi pada lapisan keramik, Non-
Isothermal Oxidation dilakukan dengan alat TGA
(Thermogravimetri) pada temperatur 1100oC (heating rate
10oC/min) untuk mengetahui bagaimana kestabilan dari
lapisan. Karakterisasi dilakukan sebelum dan sesudah
pengujian termal TGA menggunakan SEM-EDX (Scanning
Electron Microscope) dan XRD (X-Ray Diffraction) untuk
mengetahui daerah TGO dan fasa-fasa yang terbentuk.
Pengujian kelekatan dilakukan dengan menggunakan alat
PosiTest Adhesion Tester untuk mengukur kekuatan lekatan
antara pelapis dan substrat.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Uji Scanning Electron Microscope (SEM)
Setelah Flame Spray
Pada pengujian SEM ini ditemukan beberapa kondisi
serbuk dari lapisan top coat setelah dilakukan proses coating
seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Pada permukaan top coat
terlihat bahwa ada serbuk yang meleleh (melted), meleleh
sebagian (semi melted) dan tidak meleleh (unmelted). Hal ini
disebabkan karena pada saat proses coating dilakukan, jarak
antara gun dan sampel cukup jauh dan memberikan waktu
pendinginan di udara sehingga serbuk ada yang meleleh
sebagian dan ada yang tidak meleleh saat mencapai permukaan
sampel. Selain itu kecepatan rata-rata material serbuk yang
ditembakkan dengan menggunakan metode flame spray sekitar
30 m/s, yang tergolong rendah apabila dibandingkan dengan
metode spray yang lainnya [2].
Gambar 2. Hasil Pengujian SEM Permukaan Coating YSZ/Al2O3
30%, 250mm dengan Perbesaran 2000x
Gambar 3 menunjukkan hasil pengujian SEM pada
permukaan sampel setelah proses flame spray. Pada gambar
terlihat bahwa variasi dari jarak spray menunjukkan adanya
perbedaan morfologi. Jarak spray yang semakin jauh
menyebabkan porositas pada permukaan semakin banyak. Pada
sampel dengan jarak spray 200mm (Gambar 3. b, e, h) terlihat
permukaannya cenderung lebih padat dan halus. Sedangkan
pada sampel dengan jarak 150mm (Gambar 3. a, d, g) memiliki
tingkat porositas pada permukaan cukup banyak namun jika
dibandingkan dengan jarak spray 250mm (Gambar 3. c, f, i),
permukaan sampel dengan jarak 150mm memiliki lebih sedikit
gumpalan dan memiliki kerapatan yang lebih tinggi.
Bertambahnya jarak spray akan meningkatkan tingkat
porositas pada permukaan sampel dikarenakan semakin jauh
jarak spray maka semakin lama juga serbuk mengalami
pendinginan di udara sehingga akan membuat serbuk tidak
meleleh sempurna saat mencapai permukaan sampel [3].
Gambar 4. merupakan hasil pengujian SEM dan EDX pada
penampang melintang di daerah antara topcoat dan bondcoat
sampel YSZ/Al2O3 5% pada perbesaran 5000x setelah proses
Thermal Spray. Diketahui dari pengujian SEM terdapat daerah
berwarna gelap antara topcoat dan bondcoat yang disebabkan
adanya oksidasi yang kemudian diidentifikasi sebagai daerah
TGO (Thermally Growth Oxide). Daerah TGO merupakan
bagian dari bondcoat yang teroksidasi karena perubahan
temperatur yang cukup tinggi [4]
Unmelted
Semi-Melted
Melted
3
Gambar 3. 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
Gambar 4. Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x
YSZ/Al2O3 5%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Dari hasil pengujian EDX diketahui bahwa terdapat adanya
unsur O sebesar 6.5 wt% karena adanya pembentukan oksida.
Terbentuknya oksida ini karena adanya reaksi dengan unsur
lain yang ada pada bondcoat antara lain Cr 6.38 wt%, Al 6.92
wt%, Ni 12.66 wt%. Oksida penyusun daerah TGO umumnya
terdiri atas beberapa formasi oksida antara lain Al2O3,
(Cr,Al)2O3 + (Co,Ni)(Cr,Al)2O4 + NiO yang disebut sebagai
CSN dan (Cr,Al)2O3 + (Co,Ni)(Cr,Al)2O4 yang disebut sebagai
CS [5]. Pada hasil EDX ini juga terdeteksi unsur C sebesar
44.02 wt% yang berasal dari carbon tape dan juga unsur Au
13.89 wt%, Pd 4.07 wt% yang berasal dari coating yang
dilapiskan sebelum pengujian SEM.
Gambar 5 merupakan hasil pengujian SEM dan EDX pada
penampang melintang di daerah antara topcoat dan bondcoat
sampel YSZ/Al2O3 15% pada perbesaran 5000x setelah proses
Thermal Spray. Dari pengujian ini didapatkan kandungan O
sebanyak 6.88 wt%, Al 2.93 wt%, Cr 8.51 wt%, Ni 24.45 wt%
pada lapisan TGO.
Gambar 5. Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x
YSZ/Al2O3 15%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Gambar 6 merupakan hasil pengujian SEM dan EDX pada
penampang melintang di daerah antara topcoat dan bondcoat
sampel YSZ/Al2O3 30% pada perbesaran 5000x setelah proses
Thermal Spray. Dari pengujian ini didapatkan kandungan O
sebanyak 4.51 wt%, Al 0.82 wt%, Cr 14.41 wt%, Ni 32.21 wt%
pada lapisan TGO. Dapat dilihat bahwa nilai oksida cukup
tinggi berasal dari oksida aluminum (alumina/Al2O3) dan
oksida kromium (CrO) karena meningkatnya kandungan Al2O3
pada daerah lapisan YSZ/Al2O3 dan Al2O3 yang berasal dari
oksidasi Al pada lapisan bondcoat dan Al juga Cr mempunyai
posisi yang paling bawah pada diagram Ellingham jika
dibandingkan dengan Ni.
Bila dibandingkan dari ketiga komposisi, YSZ/Al2O3 30%
memiliki kandungan O paling sedikit, sedangkan YSZ/Al2O3
5% dan YSZ/Al2O3 15% memiliki kandungan O lebih banyak.
Lapisan TGO semakin tipis dengan adanya penambahan Al2O3
karena Al2O3 merupakan oksida yang bersifat sebagai oxygen
barrier sehingga dengan adanya Al2O3 menahan adanya
penetrasi oksida [6].
TGO yang muncul sebelum dilakukan uji termal ini
disebabkan karena adanya pengaruh panas saat proses thermal
spray dilakukan. Ketika melakukan proses pelapisan topcoat,
bondcoat terpengaruh panas sehingga terjadi oksidasi dan
tumbuh lapisan TGO.
Gambar 6. Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x
YSZ/Al2O3 30%, 200mm Setelah Proses Flame Spray
Setelah Uji Termal
Pengujian SEM dan EDX ini dilakukan setelah pengujian
termal TGA (thermogravimetri) dengan memanaskan sampel
hingga temperatur 1100o C, dengan kenaikan temperatur 10o
C/min kemudian dilihat daerah TGO antara topcoat dan
bondcoat.
Gambar 7 merupakan hasil SEM dan EDX dari sampel
dengan komposisi YSZ/Al2O3 5% setelah dilakukan uji termal.
Pada hasil tersebut diketahui bahwa nilai O dari hasil EDX
meningkat dari 6.5 wt% sebelum diuji termal menjadi 25.29
wt% setelah dilakukan uji termal. Hal ini menunjukkan bahwa
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
Element Wt% At%
CK 44.02 74.98
OK 06.50 08.31
AlK 06.92 05.25
SiK 01.28 00.93
YL 01.42 00.33
AuM 13.89 01.44
PdL 04.07 00.78
CrK 06.38 02.51
FeK 02.87 01.05
NiK 12.66 04.41
Matrix Correction ZAF
Element Wt% At%
CK 15.70 47.37
OK 04.51 10.21
AlK 00.82 01.10
AuM 17.85 03.28
PdL 04.24 01.45
CrK 14.41 10.04
FeK 10.26 06.66
NiK 32.21 19.89
Matrix Correction ZAF
Element Wt% At%
CK 38.61 71.24
OK 06.88 09.53
AlK 02.93 02.40
SiK 01.72 01.35
PdL 01.93 00.40
CrK 08.51 03.63
FeK 01.86 00.74
NiK 24.45 09.23
AuL 13.11 01.47
Matrix Correction ZAF
4
daerah TGO mengalami pertumbuhan yang sangat cepat setelah
dipanaskan pada temperature 1100oC. Dilihat dari hasil EDX,
oksida berasal dari Cr sebesar 5.7 wt% dan Ni sebesar 33.71
wt%.
Gambar 7 Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x YSZ/Al2O3
5%, 200mm Setelah Pengujian Termal.
Gambar 8 merupakan hasil SEM dan EDX dari sampel
dengan komposisi YSZ/Al2O3 15% setelah dilakukan uji termal.
Dari hasil tersebut terlihat bahwa nilai O mengalami kenaikan
setelah dilakukan uji termal yaitu 14.35 wt% yang sebelumnya
sebesar 6.88 wt%. Dilihat dari hasil EDX, oksida berasal dari
Cr sebesar 17.55 wt% dan Ni sebesar 24.60 wt%. Disini terlihat
juga bahwa nilai oksida yang ada pada sampel YSZ/Al2O3 15%
lebih sedikit jika dibandingkan dengan sampel YSZ/Al2O3 5%
karena pada sampel YSZ/Al2O3 15% memiliki komposisi Al2O3
yang lebih banyak.
Gambar 8. Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x
YSZ/Al2O3 15%, 200mm Setelah Pengujian Termal.
Gambar 9. Hasil Pengujian SEM-EDX Perbesaran 5000x
YSZ/Al2O3 30%, 200mm Setelah Pengujian Termal.
Gambar 9 merupakan hasil SEM dan EDX dari sampel
dengan komposisi YSZ/Al2O3 30% setelah dilakukan uji termal.
Sama dengan sampel-sampel sebelumnya, dari hasil EDX
terlihat bahwa nilai O mengalami kenaikan setelah dilakukan
uji termal yaitu 11.83 wt% yang sebelumnya sebesar 4.51 wt%
dan oksida berasal dari Cr sebesar 14.41 wt% dan Ni sebesar
32.21 wt%.
Dari hasil SEM dan EDX setelah uji termal, dapat diketahui
bahwa sampel YSZ/Al2O3 30% memiliki kenaikan jumlah
oksida paling sedikit dibandingkan dengan sebelum
dilakukannya uji termal. Sedangkan sampel YSZ/Al2O3 5%
memiliki kenaikan jumlah oksida yang sangat drastis setelah uji
termal.
Oksigen berdifusi melalui porositas yang ada pada top coat
dan menuju bond coat dan bereaksi dengan NiCrAlY yang
akhirnya membentuk lapisan oksida atau juga bisa disebut
sebagai oksidasi internal dari bond [6].
Untuk mengurangi tingkat oksidasi yang terjadi pada bond
coat maka ditambahkan Al2O3 yang dibuktikan pada sampel
YSZ/Al2O3 30% dengan kandungan Al2O3 yang paling banyak,
menghasilkan oksidasi yang paling sedikit karena Al2O3
bersifat sebagai oxygen barrier yang mampu menghambat
penetrasi dari oksigen ke dalam BC pada TBC sehingga dapat
mengurangi oksidasi dan pertumbuhan TGO [7].
B. Analisa Uji X-Ray Difraction (XRD)
Setelah Flame Spray
Pada pengujian XRD ini ditemukan terdapat dua fasa
Zirkonia yaitu t-ZrO2 (zirkonia tetragonal) dan m-ZrO2
(zirkonia monoklinik). Hal ini dikarenakan Zirkonia memiliki
sifat allotropi yang memungkinkan terbentuk beberapa struktur
kristal seiring dengan perubahan temperatur. Zirkonia ini
bertransformasi karena adanya pengaruh panas yang
disebabkan oleh Flame Spray (Qinghe, 2009). Al2O3 disini
terdeteksi disebabkan karena adanya porositas pada top coat
sehingga Al2O3 yang ada pada lapisan komposit YSZ/Al2O3
yang seharusnya berada di bawah top coat ikut terdeteksi pada
pengujian ini.
Gambar 10. Hasil pengujian XRD pada permukaan atas
sebelum uji termal pada setiap komposisi
Setelah Uji termal
Hasil XRD setelah uji termal ini memiliki beberapa
perbedaan dengan pengujian sebelum uji termal. Perbedaan
terdapat pada intensitas puncak dari t-ZrO2. Fasa m-ZrO2 yang
sebelumnya muncul setelah proses flame spray, pada hasil XRD
setelah uji termal sudah tidak terdeteksi dikarenakan m-ZrO2
sudah bertransformasi menjadi t-ZrO2 pada temperatur 1100 oC.
Selain itu juga terdapat perbedaan pada identifikasi Al2O3.
Al2O3 yang terbentuk disini berbeda dengan Al2O3 sebelum
Element Wt% At%
CK 12.22 28.20
OK 25.29 43.81
AlK 00.75 00.77
SiK 01.07 01.05
PdL 01.29 00.34
CrK 05.70 03.04
FeK 11.45 05.68
NiK 33.71 15.91
AuL 08.52 01.20
Matrix Correction ZAF
Element Wt% At%
CK 28.81 54.57
OK 14.35 20.41
AlK 01.20 01.01
SiK 02.12 01.72
SK 01.50 01.06
CrK 17.55 07.68
FeK 09.86 04.02
NiK 24.60 09.53
Matrix Correction ZAF
Element Wt% At%
CK 38.39 64.29
OK 11.83 14.87
AlK 11.01 08.21
SiK 00.49 00.35
YL 00.90 00.20
PdL 00.18 00.03
CrK 09.18 03.55
FeK 01.56 00.56
NiK 21.74 07.45
AuL 04.72 00.48
Matrix Correction ZAF
5
dilakukan uji termal yang didapatkan dari hasil analisa kartu
PDF 01-088-0826. Perbedaan ini dimungkinkan karena adanya
oksidasi yang terjadi dengan Al dari bondcoat saat uji termal.
Selain itu juga muncul puncak baru yang terdeteksi sebagai CrO
(01-078-0722) yang merupakan hasil oksidasi dengan Cr yang
berada pada bondcoat. Semua komposisi memiliki puncak yang
terdeteksi sebagai CrO. Dari semua komposisi, sampel dengan
kandungan YSZ/Al2O3 5% memiliki puncak CrO paling tinggi
sedangkan sampel dengan kandungan YSZ/Al2O3 30%
memiliki puncak CrO paling rendah. Hal ini menunjukkan
bahwa komposisi YSZ/Al2O3 30% memiliki tingkat kerusakan
lebih sedikit dibandingkan dengan komposisi YSZ/Al2O3 5%
dan YSZ/Al2O3 15% karena penambahan Al2O3 mampu
menahan oksigen melakukan penetrasi melalui topcoat menuju
bondcoat sehingga tingkat oksidasi menjadi turun.
Gambar 11. Hasil pengujian XRD pada permukaan atas
sesudah uji termal pada setiap komposisi
C. Analisa Pengujian Thermal TGA dan Thermal Torch
Thermal TGA
Gambar 12. Pengaruh Temperatur terhadap Penambahan Massa
Dari pengujian TGA pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa
terjadi perubahan massa setiap kenaikan temperatur. Hasil
pengujian ini menunjukkan bahwa massa bertambah dengan
naiknya temperatur. Hal ini mengindikasikan bahwa ada reaksi
yang terjadi. Ketika temperatur naik, terjadi oksidasi yang
menyebabkan massa sampel bertambah. Terlihat pada sampel
yang tidak dilakukan coating mengalami kenaikan massa cukup
signifikan mulai temperatur sekitar 800oC hingga 1100oC. Ini
dikarenakan spesimen Hastelloy ® X memiliki temperatur kerja
hingga 870oC [8].
Gambar 13 menunjukkan grafik dari analisa 1st Derivative.
Grafik ini menunjukkan tingkat kestabilan sampel ketika
dilakukan uji termal. Tingkat kestabilan sampel dapat dilihat
dari tinggi rendahnya gerutan yang ada. Semakin rendah
gerutan yang muncul, maka kestabilan sampel semakin baik.
Gerutan ini menunjukkan adanya reaksi yang terjadi pada
sampel. Dari hasil analisa 1st Derivative didapatkan tingkat
kestabilan sampel dari yang paling stabil berturut-turut adalah
YSZ/Al2O3 30%, 200mm; YSZ/Al2O3 15%, 200mm;
YSZ/Al2O3 5%, 150mm dan YSZ/Al2O3 15%, 150mm.
Gambar 13. Pengaruh Temperatur Terhadap mg/C
Thermal Torch
Pengujian Thermal Torch bertujuan untuk mengetahui
ketahanan fisik dari lapisan keramik terhadap pembebanan
termal secara langsung menggunakan busur las oxyacetylene.
Pengujian ini menggunakan busur las Oxydizing flame dengan
temperatur nyala maksimum 2000oC. Setelah itu dilakukan
pengukuran volume cacat pada sampel dengan menggunakan
air yang diteteskan dan dihitung volumenya sesuai cacat sampel
dengan menggunakan buret.
Setelah mendapatkan hasil pengukuran volume cacat pada
sampel, kemudian dibuat grafik hubungan antara pengaruh
jarak spray terhadap volume cacat pada uji Thermal Torch
Oxyacetilene yang ditunjukkan pada Gambar 14.
YSZ/Al2O3 15% 150mm dan YSZ/Al2O3 30% 250mm
hanya mengalami kerusakan dengan volume 0,05 cm3. Hal ini
terjadi karena sampel YSZ/Al2O3 15% 150mm memiliki
kestabilan coating yang baik ketika dilakukan uji termal
terbukti dari hasil yang ditunjukkan oleh grafik hasil uji 1st
Derivative TGA. Namun pada sampel YSZ/Al2O3 30% 150mm
memiliki rata-rata volume cacat 0,2 cm3. Hal ini disebabkan
karena porositas permukaan yang ada cukup banyak terlihat
dari hasil pengujian SEM. Porositas pada sampel YSZ/Al2O3
30% 150mm menyebabkan oksigen berdifusi melalui celah dan
menuju bond coat kemudian terjadi oksidasi di permukaan
bond coat sehingga coating terkelupas dan hancur tiba-tiba.
6
Gambar 14. Pengaruh Jarak Spray Terhadap Volume Cacat pada Uji
Thermal Torch Oxyacetilene
D. Analisa Pengujian Pull Off
Gambar 15. Pengaruh Jarak Spray Terhadap Kekuatan Lekat
Dari pengujian lekat ini didapatkan hasil bahwa kekuatan
lekat naik seiring bertambahnya kandungan Al2O3 pada
komposit YSZ/Al2O3. Komposisi sampel YSZ/Al2O3 30%
memiliki rata-rata kekuatan lekat yang paling tinggi. Hal ini
dikarenakan Al2O3 berfungsi sebagai oxygen barrier untuk
mengurangi munculnya lapisan TGO yang bisa menyebabkan
penurunan kekuatan lekat. Thermal stress merupakan faktor
utama yang mempengaruhi kekuatan lekat sampel. Tegangan
ini bisa didapatkan ketika selesai dilakukan flame spray karena
sampel mendapat pengaruh panas pada saat proses spraying,
selain itu lapisan TGO (Thermally Grown Oxide) yang muncul
diantara lapisan topcoat dan bondcoat juga akan melemahkan
kekuatan lekat dari TBC dan membuatnya mudah mengalami
pengelupasan [9].
Dari hasil semua pengujian, untuk mengetahui variasi
terbaik dalam proses coating ini, maka selanjutnya dilakukan
scoring pada tiap pengujian untuk sampel terbaik seperti
ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 2. Scoring sampel pada tiap pengujan
Variabel SEM/
EDX TGA
1st
Derivative
Thermal
Torch
Pull
Off
YSZ/ Al2O3
5%
150mm ● 200mm ● ●●●
250mm
YSZ/
Al2O3
15%
150mm ●●●
200mm ●● ● ●● 250mm
YSZ/
Al2O3
30%
150mm ●●●
200mm ●●● ●●● ● ●●
250mm ●● ●● ●
Scoring hasil pengujian pada tabel diatas dilakukan dengan
membuat tiga peringkat sampel dengan variasi terbaik pada tiap
pengujian. Sampel dengan peringkat satu diberikan bintang
tiga, peringkat dua diberikan bintang dua dan peringkat tiga
diberikan bintang satu. Dari hasil scoring, terlihat bahwa
sampel yang memiliki nilai paling baik dari semua pengujian
adalah sampel YSZ/Al2O3 30%, 200mm; kemudian selanjutnya
adalah YSZ/Al2O3 30%, 250mm dan YSZ/Al2O3 15%, 200mm.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa:.
1. Kandungan Al2O3 pada lapisan komposit YSZ/ Al2O3
memberikan pengaruh pada sifat kelekatan dengan nilai
kelekatan rata-rata pada kandungan YSZ/Al2O3 5% 12,76
MPa; YSZ/Al2O3 15% 11,79 MPa dan YSZ/Al2O3 30%
19,98 MPa.
2. Kandungan 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 kandungan YSZ/Al2O3 5%
25.29wt%, YSZ/Al2O3 15% 14.35wt% dan YSZ/Al2O3 30%
11.83wt%.
3. Jarak spray memberikan pengaruh terhadap kekuatan lekat
dengan nilai yang paling stabil didapatkan pada jarak
7
200mm dari ketiga kandungan YSZ/Al2O3 5% 13,41 MPa;
YSZ/Al2O3 15% 12.34 MPa dan YSZ/Al2O3 30% 20,4 MPa.
4. Jarak spray memberikan pengaruh terhadap ketahanan
termal dengan volume cacat paling rendah didapatkan pada
jarak 150mm dengan kandungan YSZ/Al2O3 5% dari hasil
uji Thermal Torch dengan nilai 0,05 cm3.
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
kandungan pada pengujian XRD.
6. Lapisan komposit YSZ/Al2O3 dan jarak spray berpengaruh
terhadap unsur setelah pengujian termal dengan didapatkan
fasa t-ZrO2, Al2O3 dan peak baru berupa CrO pada
pengujian XRD, dengan peak yang paling tinggi
ditunjukkan pada kandungan YSZ/Al2O3 5% dan paling
rendah pada kandungan YSZ/Al2O3 30%.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ren, C. Y. D. He. D., dan R. Wang. 2010. “Al2O3/YSZ
Composite Coatings Prepared by A Novel Sol-Gel Process
And Their High-Temperature Oxidation Resistance”.
Oxide Metal Journal Springer 74:275-285.
[2] ____. 2004.“ASM Handbook of Thermal Spray”. ASM
Internasional
[3] Rajasekaran, B., G. Mauer, dan R. Vaben. 2011.
“Enhanced Characteristics of HVOF-sprayed MCrAlY
Bond Coats for TBC Applications”.ASM International
JTTEE5 20:1209–1216.DOI: 10.1007/s11666-011-9668-
3.
[4] Padture, N. P., Gell, M. dan Jordan, E. H. 2002. “Thermal
Barrier Coatings for Gas-turbine Engine Applications”.
Journal of Science. 296, 280.
[5] Li, Yanjun, Youtao Xie, Liping huang, Xuanyong Liu,
Xuebin Zheng. 2012.”Effect of Physical Vapor Deposited
Al2O3 Film on TGO Growth in YSZ/CoNiCrAlY Coatings”.
Ceramics International 38 5113–5121.
[6] Hasab, Mehdi Ghobeiti dan Kamran Rashnuei. 2012.
“Comparison of Oxidation Resistance of YSZ and
YSZ/Al2O3 Coatings on Ni-Based Superalloy”. Scientific
Paper UDC: 667.613:621.791.48.
[7] Zhu, C., A. Javed, P. Li, F. Yang, G.Y. Liang, P. Xiao.
2012. “A Study of The Microstructure and Oxidation
Behavior of Alumina/Yttria-Stabilized Zirconia
(Al2O3/YSZ) Thermal Barrier Coatings”. Surface &
Coatings Technology 212 214–222.
[8] ____. 1997. “Haynes International Book for Hastelloy®
X”. New York : Haynes International Ltd.
[9] Okazaki, Masakazu., Satoshi Yamagishi, Yasuhiro
Yamazaki, Kazuhiro Ogawa, Hiroyuki Waki, Masayuki
Arai. 2013. “Adhesion Strength of Ceramic Top Coat in
Thermal Barrier Coatings Subjected to Thermal Cycles:
Effects of Thermal Cycle Testing Method and
Environment”. International Journal of Fatigue 53 33–39.
Recommended