PENGARUH KOMPOSISI KOMPOSIT Al2O3/YSZ DAN VARIASI FEED RATE TERHADAP KETAHANAN TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ- Al2O3/YSZ DOUBLE LAYER TBC UNTUK APLIKASI PADA NOSEL ROKET Parindra Kusriantoko (2710100066)
Advisor : Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si.,
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri InstitutATeknologi Sepuluh Nopember Decade of Open Sharing 1 SURABAYA
Jan 28, 2013
Outline • Pendahuluan
• Tujuan • Batasan Masalah • Tinjauan Literatur • Metodologi • Analisa dan Pembahasan • Kesimpulan
Flickr: tidefan
2
A Decade of Open Sharing
Final Project
PENDAHULUAN 3
A Decade of Open Sharing
GAGAL
RX 550 (Lapan)
Uji statik
Kondisi : • Temperatur yang tinggi up to 1200o C • Dorongan yang tinggi bisa mencapai ~10 ton S45C = Gagal
Solusi : • Mengganti bahan dengan material Superalloy • Melakukan coating pada permukaan dalam nosel
?
Material coatingnya ?
Thermal Barrier Coating 4
A Decade of Open Sharing
Final Project
Propertiess ZrO2
YSZ
Al2O3 + SiO2
Al2O3
SiO2
TiO2
La2ZrO7
Titik leleh (0C)
2700
2700
2123
2323
1726
1825
2300
Koefisien 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
5
Material Thermal Barrier Coating
A Decade of Open Sharing
Final Project
Penambahan lapisan YSZ/Al2O3 dibawah lapisan YSZ Parameter spray
Penelitian sebelumnya Alvian, 2013 TBC, TC = 20%SiO2-Al2O3, BC = NiAl Flame spray 3, 6, 9 sapuan Kukuh, 2013 TBC, TC = 20%, 30%, 40%SiO2-Al2O3, BC = NiAl 4340 Flame spray 3, 6, 9 sapuan
Gafur, 2014 TBC, TC=(30%,20%,10%) SiO2-Y2O3-60%Al2O3 , BC=MCrAlY Flame spray
6
A Decade of Open Sharing
Final Project
Nosel Roket
Agi, 2013 TBC, TC = 40%SiO2-Al2O3, BC = NiAl Flame spray 3, 6, 9 sapuan
Parindra, 2014 TBC, TC = YSZ-YSZ/(5%, 10%, 20%)Al2O3 , BC = MCrAlY Flame spray
Ridwan, 2013 TBC, TC = 20%, 30%, 40%SiO2-Al2O3, BC = NiAl 1045 Flame spray 3, 6, 9 sapuan
TUJUAN PENELITIAN 7
A Decade of Open Sharing
Tujuan • Untuk mengetahui pengaruh komposisi Al2O3 pada lapisan komposit
YSZ/Al2O3
terhadap
sifat
kelekatan
dan
ketahanan termal dari YSZ-YSZ/Al2O3 double layer TBC. • Untuk mengetahui pengaruh variasi feed rate serbuk YSZ/Al2O3 terhadap sifat kelekatan dan ketahanan termal dari YSZ-YSZ/Al2O3 double layer TBC. • Untuk
mengetahui
pengaruh
dari
lapisan
komposit
YSZ/Al2O3 dan feed rate serbuk terhadap struktur mikro yang dihasilkan sebelum dan setelah pengujian termal.
8
A Decade of Open Sharing
Final Project
BATASAN MASALAH 9
A Decade of Open Sharing
Batasan Masalah • Pencampuran serbuk keramik dianggap homogen. • Unsur pengotor dan faktor lingkungan dianggap tidak berpengaruh. • Hasil sapuan flame spray dianggap menghasilkan tebal yang sama. • Tebal bond coat dan top coat dianggap sama pada setiap sampel uji.
10
A Decade of Open Sharing
Final Project
TINJAUAN LITERATUR 11
A Decade of Open Sharing
Thermal Barrier Coating (TBC) 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.
(Padture, 2002) 12
A Decade of Open Sharing
Final Project
Thermal Barrier Coating (TBC) TC – Top Coat – Lapisan paling luar terbuat dari material Keramik. BC – Bond Coat – Lapisan tengah merupakan material pengikat (bonding) umumnya Terbuat dari MCrAlY alloy (Yanjun Li, 2012)
13
A Decade of Open Sharing
Final Project
S – Substrate – Lapisan paling bawah merupakan material yang akan dilapisi, umumnya logam / paduan / paduan super
Substrat – Hastelloy X Ni (bal) Cr Fe 47% 22% 18% Properti Titik Leleh Resistivitas Elektrik Konduktifitas Termal Panas Spesifik CTE Poisson’s Ratio
Mo 9%
Temperatur (oC)
22 21 200 927 Room 538 1093 25-100 25-500 25-700 22
Bentuk Sheet, 2.3-7.9 mm Plate, 9.5-50.8 mm
14
A Decade of Open Sharing
Final Project
Co 1.5%
W 0.6%
C 0.1%
Mn Max 1%
Si Max 1%
B 0.008%
Nilai 1260-1355o C 118.36 microhm.cm 9.1 W/m.K 14.1 W/m.K 27.2 W/m.K 486 J/Kg.K 544 J/Kg.K 858 J/Kg.K 13.0 x 10-6 m/m.oC 14.5 x 10-6 m/m.oC 15.6 x 10-6 m/m.oC 0.320 Kondisi
Heat-Treated pada 1177o C Quench. Heat-Treated pad 1177o C Quench.
Ksi 109.5 107.7
UTS
Temperatur kerja : ≤ 870oC
MPa 775
Yield Strength Ksi MPa 55.9 385
743
49.1
339
Elongasi (%) 45 51
(Haynes Internasional, 1997)
Bondcoat MCrAlY (NiCrAlY) Ni,Co + Cr +Al + Y • • • • •
15
Nikel, membuat fase yang memiliki titik leleh yang tinggi, antara lain 𝜸, dan 𝜸’-Ni3Al, juga memiliki ketahan oksidasi yang tinggi karena adanya fase 𝛽-NiAl. Kobalt memiliki kemampuan untuk mensubsitusi atom Ni secara mudah dan meningkatkan ketahanan oksidasi, terutama pada lingkungan Sulfur. Adanya Ni, Co dan Al membuat adanya fase 𝛽-(Ni,Co)Al yang menunjukan kemampuan yang tinggi untuk membuat layer ∝-Al2O3 sebagai penahan oksidasi. Cr menyebabkan terbentuknya oksida kromium (Cr2O3), yang menaikkan ketahan oksidasi, dan mengurangi penggunaan Al guna untuk mendapatkan fase ∝-Al2O3. Yttrium menaikkan adhesivitas dari oksida yang terbentuk seperti ∝Al2O3. (Moskal, 2009)
A Decade of Open Sharing
Final Project
Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) TZP (Tetragonal Zirconia Polymorphy) 2-4wt% Yttria YSZ
PSZ (Partially Stabilized Zirconia) 7-15wt% Yttria CSZ (Cubic Stabilized Zirconia) > 15wt% Yttria
Tm tinggi, approx. 2700o C Koef. Konduktifitas rendah 2,3 Wm-1K-1 CTE yang tinggi 11×10-6o C-1, Memiliki densitas yang relatif rendah 6.4 g/cm3 Memiliki kekerasan yang tinggi sekitar 14 GPa, yang membuat YSZ resistan terhadap erosi.
(Moskal, 2009)
16
A Decade of Open Sharing
Final Project
Thermally Grown Oxide (TGO) Adanya porositas pada topcoat
Temperatur kerja yang tinggi
Oksigen masuk
M + O = MO
“ 17
(Mumm, 2000)
Oksida pada TGO menurut penelitian Yanjun Li (2012) terdiri atas kluster : CSN = Al2O3, (Cr,Al)2O3 + (Co,Ni)(Cr,Al)2O4 + NiO CS = (Cr,Al)2O3 + (Co,Ni)(Cr,Al)2O4 A Decade of Open Sharing
Final Project
retak
Saremi, 2008
C. Ren, 2011
18
Karaoganli, 2011
Mehdi, 2012
Membandingakan YSZ/Al2O3 APS dan HVOF
A Decade of Open Sharing
Final Project
Melapiskan Al2O3 diantara TC/BC
Melapiskan Al di atas top coat
Melapiskan Al2O3 di atas top coat
Mengganti MCrAlY dengan YSZ/Al2O3
Yanjun Li, 2012
C. Zhu, 2012
Membandingkan YSZ dengan YSZ/Al2O3
Rancangan dari TBC YSZ YSZ/Al2O3
NiCrAlY
200 µm 80 µm 100 µm
Hastelloy X
Dengan Ekspetasi Awal : 1. Lapisan TGO semakin tipis (setelah uji termal) – Ketahanan oksidasi bagus 2. Kekuatan lekat bagus 3. Kluster oksida pada TGO sedikit 4. Tidak mudah mengalami spalasi
19
A Decade of Open Sharing
Final Project
Proses Flame Spray
Temp. Mencapai 2700o C kecepatan dari flame spray ini sekitar <100 m/s dan spray rate nya sekitar 0.5 – 9 kg/jam atau 8 – 150 gr/min (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).
20
A Decade of Open Sharing
Final Project
METODOLOGI PENELITIAN 21
A Decade of Open Sharing
Diagram Alir
22
A Decade of Open Sharing
Final Project
Alat dan Bahan • • • •
4 mm
6 mm
2 mm
25.4 mm
a.)
b.)
c.)
Spesimen Hastelloy X a.) Uji Thermal dan adhesive b.) Uji TGA (Thermografimetri) c.) Hastelloy X
• • • 23
Serbuk 8% Y2O3 - ZrO2 (8 Yttria Stabilized Zirconia/8YSZ) Serbuk Al2O3 (Alumina) Serbuk MCrAlY – Amdry 962 - Ni = bal., Cr = 21-23%, Al = 9-11%, Y = 0.8-1.2%
A Decade of Open Sharing
Final Project
• • • • • • • • •
Neraca Digital Analitik Siever Shaker dan Sieve Planetary Ball Mill Pengering Serbuk (Dryer) Sand Blasting Flame Spray Oxy Acetylene SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDX XRD (X-Ray Diffraction) TGA (Thermogravimetry) Termometer Inframerah Alat Pull Off (Uji lekat) Alat Pendukung
Proses Pelapisan PREPARASI
cutting
bonding
Top coating YSZ/A2O3 + YSZ
COATING 24
blasting
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil
Pengujian • Thermal Torch Test – Melihat Ketahanan Thermal terhadap penetrasi dari nyala api las – Las Oxy • Non-Isotermal Oxidation Test – Melihat pertumbuhan dan struktur Oksida (TGO) – Menggunakan TGA • Pull Off Test – Melihat Besar Kekuatan Lekat – Alat Pull Off (ASTM D4541) • SEM – Struktur mikro coating • XRD – Perubahan fasa setelah pengujian termal
25
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA dan PEMBAHASAN 26
A Decade of Open Sharing
Karakterisasi Awal
103.35 ±14.6 µm
Serbuk 8YSZ 27
A Decade of Open Sharing
Final Project
Karakterisasi Awal
110,4 ±20,9 µm
Serbuk Al2O3 28
A Decade of Open Sharing
Final Project
Karakterisasi Awal
65.57 ±12.37 µm
Serbuk NiCrAlY 29
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil SEM Unmelted
Semi-Melted
Melted
Hasil pengujian SEM permukaan coating pada perbesaran 2000x 5%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min 30
A Decade of Open Sharing
Final Project
Dilakukan Jufti A.H (2008) mengatakan bahwa adanya struktur melted, unmelted, dan semimelted disebabkan karena serbuk yang belum sempat meleleh dengan sempurna, sehingga ketika menyentuh permukaan substrat ada beberapa kondisi yang dimungkinkan.
Hasil SEM Hasil pengujian SEM permukaan coating pada perbesaran 250x (a) 5%Al2O3/8YSZ, 8 gr/min, (b) 5%Al2O3/8YSZ, 14 gr/min (c) 5%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min (d) 15%Al2O3/8YSZ, 8 gr/min (e) 15%Al2O3/8YSZ, 14 gr/min (f) 15%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min (g) 30%Al2O3/8YSZ, 8 gr/min (h) 30%Al2O3/8YSZ, 14 gr/min (i) 30%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min
Tingkat Porositas
5
5% Al2O3/8YSZ
4 15% Al2O3/8YSZ
3
2 30% Al2O3/8YSZ
1 0
8
14
20
Powder Feed Rate (gr/min)
31
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil SEM
YSZ Al2O3/YSZ BC Substrat Hasil pengujian SEM penampang pada perbesaran 250x (a) 5%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min, (b) 15%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min, (c) 15%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min
32
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Hasil SEM
Ukuran TGO rata-rata = 3.17 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 5%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray.
33
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Hasil SEM
Ukuran TGO rata-rata = 2. 76 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 15%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray.
34
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Hasil SEM
Ukuran TGO rata-rata = 2. 61 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 30%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah proses flame spray.
35
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Hasil SEM
Ukuran TGO rata-rata = 10.12 µm crack 2.425 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 5%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal
36
A Decade of Open Sharing
Final Project
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Hasil SEM
Ukuran TGO rata-rata = 9.41 µm crack 2.0 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 15%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal
37
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil SEM
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
Ukuran TGO rata-rata = 12.15 µm crack 0.4 µm Hasil pengujian SEM-EDX dengan perbesaran 5000x pada spesimen 30%Al2O3/8YSZ, 20 gr/min setelah uji Termal
38
A Decade of Open Sharing
Final Project
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA
ANALISA PERUBAHAN DAERAH TGO
39
A Decade of Open Sharing
Final Project
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA
ANALISA PERUBAHAN FASA
Hasil pengujian XRD pada permukaan atas sebelum uji termal pada setiap komposisi
40
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil XRD
Hasil pengujian XRD pada permukaan atas setelah uji termal pada setiap komposisi
ANALISA PERUBAHAN KESTABILAN TERMAL
Hasil TGA
950-1050oC
Grafik Δm-T tiap sampel
41
A Decade of Open Sharing
Final Project
Grafik Analisa 1st derivative TGA pada tiap sampel
Hasil Uji Thermal Torch Oxy
Ket : 1 = Rusak (cekung dalam, coating hilang), 2 = Cekung (coating menipis), 3 = Cekung dangkal, 4 = Bagus (cekung sangat kecil)
42
A Decade of Open Sharing
Final Project
Hasil Pengujian Pull-Off
43
A Decade of Open Sharing
Final Project
SARAN dan KESIMPULAN 44
A Decade of Open Sharing
Kesimpulan Feed rate akan menyebabkan kerapatan permukaan lapisan semakin baik, dimana porositas menjadi menurun seiring dengan naiknya feed rate. Perubahan TGO setelah dilakukan uji termal 5%Al2O3/8YSZ, 15%Al2O3/8YSZ, 30%Al2O3/8YSZ adalah 10.12 µm, 9.41 µm, dan 12.15 µm. Dengan kata lain komposisi 15%Al2O3 memiliki ketahanan termal yang paling baik.
Komposisi yang memiliki fasa yang stabil setelah dilakukan uji termal adalah 15% Al2O3/8YSZ TGA menunjukkan tiap sampel rata-rata mulai terjadi oksidasi yang tajam pada rentang temperatur 950-1050oC. Hasil analisa 1st derivative 15% Al2O3/8YSZ, 14 dan 20 gr/min memiliki kestabilan paling baik.
Dari hasil Thermal Torch, sampel yang memiliki kerusakan paling minimal adalah 15% Al2O3/8YSZ 8 dan 14 gr/min. Dari pengujian kelekatan nilai kelekatan paling tinggi pada komposisi komposisi 15% Al2O3/8YSZ, 14 gr/min yaitu 10 Mpa 45
A Decade of Open Sharing
Final Project
TERIMAKASIH 46
A Decade of Open Sharing
47
A Decade of Open Sharing
Final Project
YSZ Phase Diagram 7-8 wt% YSZ
Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) ZrO2
Melt (2690o C) Cubic
7-8wt% YSZ
Melt (2700o C)
(2370 o C)
Cubic
Tetragonal
(2000o C)
(1173o C)
Monoclinic
Tetragonal + Cubic
(500o C) Monoclinic + Cubic
48
A Decade of Open Sharing
Final Project
49
A Decade of Open Sharing
Yanar, 2010
DenganmenggunakanHukum Fourier :
Maka : R1’ R2’ R3’
= x1/k1 = x1/8 = x2/k2 = x2/2.2 = x3/k3 = x3/2.3 𝑞𝑥 =
Menghasilkan :
𝑑𝑇 𝑞𝑥 = 𝐾 𝑑𝑥 𝑥 𝑅= 𝑘. 𝐴
𝑇23 − 𝑇12 𝑇12 − 𝑇𝑜 𝑇𝑜 − 𝑇23 , 𝑞 = 𝑑𝑎𝑛 𝑞 = 𝑥 𝑥 𝑅′2 𝑅′3 𝑅 ′1
𝑇𝑜 − 𝑇23 𝑇𝑜 − 𝑇23 = 𝑥3 𝑅′3 𝑘3 𝑘 (𝑇 −𝑇 ) 2.3(200) > 𝑥3 = 3 𝑜𝑞 23 = 4 𝑥 106 = 0.00115 𝑚 = 0.115 𝑚𝑚, ambilsafety factor 2, 𝑞𝑥 =
𝑥
>𝑥2 =
𝑥3 = 1.15 𝑥 2 = 0.23 𝑚𝑚 ~ 0.2 𝑚𝑚 = 𝟐𝟎𝟎 𝝁𝒎
𝑘2 (𝑇23 −𝑇12 ) 𝑞𝑥
=
2.2(100) 4 𝑥 106
= 0.000055 𝑚 = 0.055 𝑚𝑚, karenapadaflame spray 1
sapuanmenghasilkan 50 – 100 𝜇𝑚maka safety factor dijadikansesuaidengankondisi,𝑥2 = 80 𝝁𝒎 >𝑥1 =
𝑘1 (𝑇12 −𝑇𝑠 ) 𝑞𝑥
𝑥1 = 100 𝝁𝒎
8(30)
= 4 𝑥 106 = 0,000060 𝑚 = 0.060 𝑚𝑚, sepertipadapoin 2 makatebal
Kesimpulan : Tebaldarilapisanbond coat=100 𝝁𝒎, YSZ/Al2O3 = 80 𝝁𝒎dan YSZ = 𝟐𝟎𝟎 𝝁𝒎
50
A Decade of Open Sharing
t-ZrO2
51
A Decade of Open Sharing
m-ZrO2
52
A Decade of Open Sharing
c-ZrO2
53
A Decade of Open Sharing
AlNi
54
A Decade of Open Sharing
AlNi3
55
A Decade of Open Sharing
