Analisa Kegagalan Sudu Turbin Bertekanan Tinggi Tingkat Pertama pada Pesawat Boeing 747-400 Oleh : Reza Jaya Wardhana (2706 100 045)
Dosen Pembimbing : Ir. Muchtar Karokaro, M.Sc Hariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
BAB I Pendahuluan
Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian
Latar Belakang •
• • •
Komponen – komponen turbin akan mengalami degradasi ataupun kerusakan akibat beban dan temperatur yang cukup tinggi Degradasi ataupun kerusakan akan berdampak buruk pada sifat metalurgi dan sifat mekanik pada komponen Komponen dalam turbin gas yang paling rentan mengalami kerusakan adalah sudu turbin (turbine blade) Kasus kerusakan pada sudu turbin pesawat terbang terjadi di PT. GMF AeroAsia, yaitu pada komponen High Pressure Turbine Blade Stage I
Tujuan Penelitian
• Mempelajari faktor penyebab kegagalan pada komponen HPT Blade • Mempelajari mekanisme kegagalan dan pola patahan yang terjadi pada komponen HPT Blade • Menentukan langkah – langkah penanggulangan yang perlu dilakukan agar kerusakan pada HPT Blade dapat diminimalisir
Batasan Masalah
• Pengambilan data berupa beban serta temperatur yang bekerja pada komponen HPT Blade hanya dibatasi pada saat pesawat take-off • Proses produksi, permesinan dan perlakuan panas komponen sesuai dengan standar yang ditentukan • Proses perakitan dan perawatan komponen berjalan sesuai dengan standar operasional yang ditentukan • Desain awal dari komponen dianggap sudah memenuhi kebutuhan aplikasi pembebanan
Manfaat Penelitian
• Menentukan faktor – faktor penyebab terjadinya kegagalan pada HPT Blade • Masukan untuk langkah perawatan dan penanggulangan agar kasus kerusakan dengan pola yang sama dapat diminimalisir • Mengatur penjadwalan perawatan seefisien mungkin
Carter TJ. 2005. Common Failure in Gas Turbine Blades. Eng Fail Anal;12:237–47. Elsevier
Penyebab fenomena kegagalan yang terjadi pada komponen sudu turbin: • Kerusakan mekanik • Kerusakan akibat temperatur tinggi • Creep • Fatigue • Korosi
Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Patah catastrophic yang terjadi pada komponen sudu turbin diikuti oleh beberapa tahapan: • Susunan dari oksida nikel dan kobalt • Kontaminasi dari senyawa chromium sulfide • Degradasi dari struktur mikro logam • Munculnya korosi batas butir pada bagian leading edge dan trailing edge • Arah perambatan retak diawali dari mekanisme fatigue • Patah awal pada bagian penampang hingga merambat ke patah akhir pada bagian trailing edge
Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas Turbine Blade Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86. Elsevier
Kerusakan pada sudu turbin yang terbuat dari Inconel 738LC, akibat: • Hilangnya lapisan TBC karena thermal fatigue • Degradai dari fasa ϒ’ setelah hilangnya lapisan TBC sehingga menyebabkan ketahanan creep berkurang
Diagram Alir Penelitian Start
Pengambilan dan Persiapan Spesimen Pengambilan Data Sekunder
Pengambilan Data Primer
Pemeriksaan Awal dan Pengamatan Makroskopik (Photography)
Fractography (Stereo Microscope Observation and SEM )
Pengamatan Mikroskopik (Metalografi dan SEM)
Identifikasi Komposisi Kimia EDX (Energy Dispersive X-Ray) dan OES(Optical Emission Spectrometer
Data Primer
Identifikasi Beban dan Tegangan Operasi Gaya Sentrifugal
Pengujian Mekanik (Hardness Rockwell C)
Data Sekunder
Pembahasan dan Analisa Data Kesimpulan dan Saran
End
Perbandingan Bentuk Morfologi antara Sudu Turbin dalam Kondisi Bagus dan Sudah Rusak
1
3
2
2
3 1
3
1
Pemotongan spesimen uji menjadi 3 bagian (bagian concave tampak depan dengan pembesaran normal)
Pengamatan Fraktografi pada Bagian I
Pengamatan Fraktografi pada Bagian I(Concave) 25x
6x
37 x
Pengamatan Fraktografi pada Bagian I (Convex) 25x 6x 6x
25x
45x
37 x
Cooling Hole
a) Sampel uji bagian II (tampak depan), dipotong lagi menjadi 2 bagian b) Tampak atas bagian transversal c) Tampak atas bagian radial
Pengamatan Mikroskopik pada Bagian Transversal Cooling Hole
Grain Boundary
100 x
50 x
Pengamatan dan Evaluasi pada Coating Cooling Hole
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada daerah Top Coat Cooling Hole PVD Columnar Grain
Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Top Coat • Unsur – unsur yang terbentuk diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, dan Zr
• Senyawa – senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya ZrO2, Al2O3, Cr2O3, CoO, dan NiO • Tidak dapat ditemukan unsur Y (Yttria) karena kandungan unsurnya yang cukup kecil (± 8%) • Unsur C bukan kandungan dari sistem lapisan
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat
Cooling Hole
Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat
•
• • •
•
Unsur – unsur yang terbentuk pada daerah tersebut diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, dan Zr Senyawa – senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari % atom diantaranya ZrO2, Al2O3, Cr2O3, CoO, dan NiO Terjadi peningkatan pada semua unsur yang ada dibandingkan dengan unsur – unsur yang berada pada lapisan top coat, kecuali pada unsur Zr Proses perlakuan panas pada spesimen menggunakan TBC, menyebabkan munculnya TGO (Thermally Grown Oksida) di daerah interface antara top coat dan bond coat TGO (Thermally Grown Oxide) merupakan lapisan tipis Alumina dan adanya daerah intermixed zone (daerah yang mengandung paduan dari Nikel, Cobalt, Chromium, dan Alumunium)
Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat
• • • •
•
Oksida (warna gelap) yang terbentuk sebagian ada yang sebagai proteksi dan lainnya adalah pengotor dan oksida campuran Lapisan TGO (Thermally Grown Oxide) mempunyai karakteristik yang berbeda Seiring dengan terbentuknya TGO juga menimbulkan oksida yang metastabil, mikroporositi, internall stress, dan crack. Internal stress terbentuk karena perbedaan CTE (Coeficient Thermal Expansion) antara permukaan top coat (keramik) dengan permukaan bond coat TGO (Thermally Grown Oxide) merupakan penyebab kegagalan dari sistem TBC
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Bond Coat
Cooling Hole Isolated TGO
Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Bond Coat Cooling Hole
• Lapisan bond coat yang digunakan pada sudu turbin ini dari jenis Pt – Al coating • Unsur-unsur pembentuknya C, O, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Pt, dan Tl • Semakin ke dalam, semakin turun kadar Zr, Al dan O sedangkan unsur Cr, Co dan Ni mengalami peningkatan jika dibandingkan dengan lapisan sebelumnya • Terdapat isolated TGO (Thermally Grown Oxide) dan porositas
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Isolated TGO Isolated TGO Hole Cooling
Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Isolated TGO • •
Cooling Hole
Unsur berupa C,O, Al, S, Cr, Co, Ni, Zr, dan Pt Untuk senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya Al2O3, SO3, Cr2O3, CoO, NiO, ZrO2, dan PtO
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Interface antara Bond Coat dengan Base Metal
Cooling Hole
Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Interface antara Bond Coat dengan Base Metal
•
• •
• • •
Cooling Hole
Incomplete diffusion di lapisan interface antara bond coat dengan base metal Unsur – unsur yang terbentuk diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, Zr, Mo, dan Pt Senyawa – senyawa yang terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya, diantaranya Al2O3, Cr2O3, CoO, NiO, ZrO2, MoO3, dan PtO Semua unsur mengalami penurunan kecuali Ni Terdapat fasa TCP (Topological Closed Packed) formation Formasi TCP ini terjadi karena disebabkan oleh proses oksidasi yang dapat merubah komposisi kimia pada base metal dan dapat menghasilkan fasa baru dari β NiAl, berubah menjadi β NiAl + γ’(Ni,Pt)3Al
Bond Coat
TCP Formation Cooling Hole Base Metal
TCP Formation
TGO
Mekanisme Kegagalan Coating TBC pada Sudu Turbin Cooling Hole
• • • • • •
Ketidakcocokan sifat termofisik Thermal pressure pada top coat Chemical degradation pada lapisan top coat Oksidasi pada lapisan bond coat Pergerakan TGO (Thermally Grown Oxide) Spinel Formation
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 1 dan 2 Cooling Hole
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2 Cooling Hole
Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2 •
• • •
Cooling Hole Untuk Objek 1 yang terletak pada lapisan terluar, unsur – unsur penyusunnya yaitu C, O, Al, Si, Cr, Co, Ni, dan Pt Objek 2 yang terletak pada lapisan interdifusion antara lapisan luar dan substrat, unsur – unsurnya antara C, Al, S, Cr, Co, Ni, dan Pt Objek 3, diambil pada daerah base metal , unsurnya berupa unsur C, Al, Cr, Co, dan Ni Unsur – unsur Cr, Co, Ni, dan Pt semakin ke dalam intensitasnya semakin meningkat sedangkan untuk unsur - unsur seperti O, Al, dan Si semakin ke dalam kandungannya semakin menurun
Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2 Cooling Hole
• Mengindikasikan bahwa terjadi degradasi pada lapisan terluar karena reaksi oksidasi, karena *): – Hilangnya sistem proteksi pada lapisan karena pengaruh oksidasi dan korosi temperatur tinggi, hal ini diakibatkan terkonsumsinya unsur Al dari sistem lapisan, yang dibutuhkan untuk membentuk lapisan film pelindung Al2O3 pada permukaan – Adanya reaksi interdifusi coating - substrat, yang diakibatkan berdifusinya unsur – unsur yang berada pada substrat menuju ke coating
*) Reff: Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas Turbine Blade Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86.
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 3 Cooling Hole
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM-EDS pada Bidang Transversal di Titik 3 Cooling Hole
Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2 •
• • • •
Untuk Objek 1 yang terletak pada lapisan terluar, unsur – unsur penyusunnya yaitu C, O, Al, Si, Cr, Co, Ni, dan Pt Objek 2 yang terletak pada lapisan interdifusion antara lapisan luar dan substrat, unsur – unsurnya antara C, Al, Si, Cr, Co, Ni dan Pt Objek 3, diambil pada celah retakan, unsurnya berupa C, O, Al, Si, Cr, Fe, Co, Ni, dan Pt Objek 4 pada daerah base metal didapatkan unsur yaitu C, Al, Cr, Co, dan Ni Unsur – unsur Cr, Co, Ni, dan Pt semakin ke dalam intensitasnya semakin meningkat sedangkan untuk unsur - unsur seperti O, Al, dan Si semakin ke dalam kandungannya semakin menurun
Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 3 • Terjadinya perambatan Coolingretak Hole dari lapisan Pt – Al sampai ke base metal, diakibatkan terkikisnya lapisan pelindung *): – – – – –
Senyawa PtAl2 yang terdapat pada lapisan paling luar larut dalam NiAl dan membentuk fasa tunggal yaitu (Ni,Pt)Al atau fasa β Fasa ini kemudian terurai menjadi biphase structure γ’ *(Ni,Pt)3Al+ + β Unsur aluminium akan habis akibat oksidasi sehingga menyebabkan hilangnya fasa β dan hanya γ’ yang tersisa Fasa ini nantinya akan terurai menjadi fasa γ (Ni dan unsur lainnya bergabung membentuk solid solution) Pada akhirnya hanya tersisa fasa γ saja dan lapisan akan terkonsumsi habis
*)
*) Reff: Bernstein HL. Analysis of cracked gas turbine blades. Proceedings of International Gas Turbine and Aeroengine
.
Congress andExposition, Orlando:1991. New York: ASME; 1991. p. 1–12
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Radial di Titik 4 dan 5 Oksigen Embritllement
Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Radial di Titik 6 *)
*) Reff : Carter TJ. 2005. Common Failure in Gas Turbine Blades. Eng Fail Anal;12:237–47
Pengamatan pada Struktur Mikro
Lapisan Film Grain growth
*)
*) Reff : P Zhi-wei Yu. 2007. Failure Investigation on Failed Blades Used in a Locomotive Turbocharger. ©ASM International.
Void yang terdapat pada batas butir
Hasil Komposisi Kimia dari Rene 142
Skema Sudu Turbin per Elemen pada Sumbu Radial *)
*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Gaya Sentrifugal karena Momen Bending *)
*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Gaya Sentrifugal Berdasarkan Perbandingan Jarak antara r-Rh and Rt *)
*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Tegangan yang Bekerja pada Lokasi Patahan Sudu Turbin
• σf = 36.98 MPa
*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Distribusi Tegangan Tarik Sepanjang Luas Penampang Airfoil *)
*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier
Hasil Uji Kekerasan
Kesimpulan •
•
•
Sudu turbin terbuat dari Nickel Based ‘Rene 142’ Superalloy berjenis investment casting Columnar Grain Directionally Solidified (CGDS). Sudu turbin ini dilapisi dengan lapisan TBC pada top coat dipadu dengan lapisan Pt – Al pada bond coat dan bagian dalam rongga pendingin Dari pengamatan visual pada permukaan patahan, menunjukkan 2 tipe permukaan patahan yaitu flat shiny (berbentuk rata mengkilap) yang merupakan tanda – tanda dari patah getas dan dark fibrous ( gelap berserabut) yang merupakan tanda – tanda dari patah ulet. Selain itu juga tampak lapisan coating yang terkelupas pada bagian leading edge dan pada bagian tengah airfoil Retakan berasal dari dinding rongga pendingin bagian dalam
•
•
Mekanisme kegagalan coating TBC yang terjadi pada sudu turbin ini diakibatkan karena beberapa faktor, diantaranya: – Ketidakcocokan sifat termofisik – Thermal pressure pada top coat – Chemical degradation pada lapisan top coat – Oksidasi pada lapisan bond coat – Pergerakan TGO Retakan terjadi pada lapisan akibat proses degradasi, yang dikarenakan: – Hilangnya sistem proteksi pada lapisan karena pengaruh oksidasi dan korosi temperatur tinggi, hal ini diakibatkan terkonsumsinya unsur Al dari sistem lapisan, yang dibutuhkan untuk membentuk lapisan film pelindung Al2O3 pada permukaan – Adanya reaksi interdifusi coating - substrat, yang diakibatkan berdifusinya unsur – unsur yang berada pada substrat menuju ke coating (Jones, 1989)
•
• • • • •
Didapatkan retakan dengan fenomena intergranular cracking pada penampang radial dan terdapat fenomena creep dan void Untuk pengamatan pada struktur mikro, pada batas butir ditemukan adanya lapisan film dari karbida dengan ketebalan 1.5-3 μm Terjadi dekohesi antara karbida dengan struktur sekitarnya Ditemukannya void pada batas butir menyebabkan timbulnya perbedaan konsentrasi tegangan pada material Hasil identifikasi komposisi kimia, menunjukkan sudu turbin ini sudah memenuhi ASM Standard Tensile Stress yang bekerja pada lokasi penampang sudu turbin yang patah sebesar 36.98 MP
Saran •
•
•
Apabila retakan sudah menembus ke dalam base metal, maka dapat disimpulkan bahwa umur dari sudu turbin tersebut sudah habis sehingga tidak memungkinkan bila dilakukan proses peremajaan ataupun perawatan (recoating, heat treatment). Jalan satu – satunya adalah dengan mengganti sudu turbin dengan yang baru Apabila retakan sudah mencapai base metal, maka diharapkan untuk segera mengganti sudu turbin tersebut. Jika tidak, maka kerusakan yang lebih besar akan terjadi akibat patahan sudu turbin akan menghantam sudu turbin yang lain dan bisa mengakibatkan turbin rusak. Untuk meningkatkan umur dari sudu turbin, maka sebisa mungkin sistem proteksi berupa lapisan harus ditingkatkan kualitasnya untuk mengurangi efek dari gradient termal antara bagian luar dan dalam sudu turbin
•
• •
Dari laporan CF6-80C2B1F HPT Stage 1 Blade Project oleh Kusuma Jaya Wardhana, diketahui bahwa perkiraan umur dari beberapa sudu turbin berkisar antara 11500 – 19400 jam, sehingga apabila umur sudu turbin sudah mencapai 15000 jam sebaiknya dilakukan penggantian Sebaiknya digunakan bahan bakar dengan kandungan yang murni, supaya meminimalkan unsur inklusi pada sudu turbin Sebelum dilakukan proses pelapisan, sebaiknya dilakukan proses pembersihan terlebih dahulu pada permukaannya, karena jika tidak dilakukan akan menyebabkan terjebaknya unsur inklusi di dalam lapisan sehingga tidak memaksimalkan sifat adhesinya
•
Terdapat kesamaan tipe kerusakan bila dibandingkan penelitian – penelitian yang lain yaitu diawali dengan terkelupasnya lapisan pada bagian tengah airfoil setelah itu baru muncul retakan, sehingga dibutuhkan pengawasan khusus di bagian tengah airfoil pada bagian concave (cekung) *)
*) Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas Turbine Blade Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86
