Karakterisasi Distribusi Termal Carrier Gas Pada Sistem Pelapisan Material D-Gun di Pusat Penelitian Fisika LIPI

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

Volume 30 (2) 2012 : 45-50 ISSN : 0125-9121

Karakterisasi Distribusi Termal Carrier Gas Pada Sistem Pelapisan Material D-Gun di Pusat Penelitian Fisika LIPI WAHYU BAMBANG WIDAYATNO, CECE, AGUS SUKARTO WISMOGROHO DAN GERALD ENSANG TIMUDA Pusat Penelitian Fisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Gdg. 440, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan, 15310 Telp : (021) 7560570, Fax : (021) 7560554 [email protected] Diterima : 21 Agustus 2012

Revisi : 2 Oktober 2012

Disetujui : 29 Oktober 2012

ABSTRAK : Karakterisasi distribusi termal operasi sistem pelapisan material Detonation Gun (D-Gun) di Pusat Penelitian Fisika LIPI telah dilakukan. Sistem pelapisan material D-Gun yang sedang beroperasi diukur distribusi termal operasinya dengan menggunakan termokopel tipe K untuk mengetahui temperatur aktual serta distribusi temperatur gas pembawa saat sistem tersebut dioperasikan. Termokopel tipe K tersebut dihubungkan dengan kontroler PID dan komputer untuk merekam data pengukuran temperatur. Variasi pengukuran yang dilakukan adalah variasi jumlah tembakan untuk pengukuran temperatur di bagian depan dan belakang substrat serta variasi jarak termokopel dari ujung laras. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa temperatur maksimum gas pembawa pada saat operasi mencapai 556˚C atau jauh di bawah temperatur hasil perhitungan teoritis dan simulasi. Disimpulkan bahwa model teoritis dan simulasi yang dikembangkan masih kurang sempurna karena belum memperhitungkan aliran udara dan kelembaban udara dalam ruangan. KATA KUNCI : Karakterisasi distribusi termal, sistem pelapisan material, Detonation Gun ABSTRACT : Characterization of operational thermal distribution of Detonation Gun Coating System in research Center for Physics has been done. D-Gun coating system which was being operated, was characterized using K-type thermocouple to observe the actual temperatur and temperatur distribution of carrier gas when the system was being operated. The K-type thermocouple was connected to PID controller and computer in order to record temperatur measurement data. The conducted measurement variations are variation of shots for temperatur measurement before and behind the substrate and variation of the distance between thermocouple and barrel exit. The measurement results show that the maximum temperatur of carrier gas when was being operated reached 556˚C or far below the theoretically calculated and simulated temperatur. It can be concludd that the developed theoretical and simulation model is still imperfect because doesn’t count the effect of air flow and humidity in the room. KEYWORDS : Thermal distribution characterization, material coating system, Detonation Gun

1.

PENDAHULUAN

Metode pelapisan thermal spray telah banyak digunakan untuk menghasilkan berbagai lapisan pelindung untuk mengurangi keausan, korosi, dan meningkatkan ketahanan panas. Proses thermal spray yang terjadi dengan menggunakan D-Gun berbentuk semburan partikel yang menumbuk permukaan substrat akibat tenaga dorongan yang dipicu dari ledakan busi. Metode D-Gun memanfaatkan energi yang dihasilkan dari gelombang detonasi yang timbul sebagai akibat pembakaran gas-gas bakar di dalam ruang bakar, dalam hal ini asetilen (C2H2) dan oksigen (O2). Gelombang detonasi tersebut mampu memberikan energi yang tinggi ke serbuk material yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar sehingga material tersebut mengalami deformasi plastis[1] dan terdorong melalui laras menuju substrat dalam kelajuan supersonik (hingga 1200 m/s)[1-3]. Gabungan kondisi ini mampu membuat material tersebut menempel dengan baik dan menghasilkan sifat-sifat lapisan yang unggul antara lain porositas yang rendah[1,4-6], tingkat kekerasan yang tinggi[1,4,5,7] dan ketahanan aus yang besar[1,4,5]. Penelitian terakhir juga memperlihatkan bahwa metode ini mampu menghasilkan lapisan dengan struktur nanokristalin[8]. Dari banyaknya artikel yang terkait dengan D-Gun, sebagian besar mendiskusikan tentang karakterisasi hasil lapisan. Hanya beberapa artikel yang mendiskusikan tentang pengaruh parameter proses D-Gun terhadap kualitas hasil pelapisan [9-10] dan parameter proses itu sendiri [11-12]. Dari beberapa artikel tersebut, semua menyiratkan bahwa kuatnya ikatan antara substrat dan lapisan yang menjadi kelebihan metode D-Gun diperoleh dari tingginya laju partikel, temperatur operasi gas pembawa, tekanan gas, serta rasio gas bahan bakar:oksigen [9-12]. Salah satu parameter yang dianggap berpengaruh adalah tingginya temperatur operasi gas pembawa akibat reaksi antara gas bahan bakar dan oksigen. Dalam beberapa artikel disebutkan bahwa temperatur operasi gas pembawa dapat mencapai 1600˚C hingga 2245˚C [12]. Namun demikian, pendekatan yang dilakukan adalah pendekatan teoritis dan kalkulasi matematis [11-12]. Belum ada artikel yang memaparkan hasil pengukuran secara langsung. Artikel ini akan memaparkan hasil pengukuran temperatur gas pembawa saat beroperasi untuk membandingkan dengan hasil perhitungan teoritis dan simulasi komputasi.

45 4

Karakterisasi Distribusi Thermal….

Wahyu Bambang Widayatno

Peralatan pelapis D-Gun yang digunakan adalah hasil rancang bangun di PPF-LIPI Serpong, dan gambarnya ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1. Sistem pelapis D-Gun. 1. Valve magnetik, 2. Klep magnetic, 3. Spark-plug. Bagian-bagian utama dari sistem D-Gun adalah ruang bakar (I), laras dinding ganda (II), powder feeder (III), kontroller elektronik (IV), distributor gas (V), substrat holder, tabung-tabung penyuplai gas dan penyulai air pendingin. Sistem D-Gun tersebut bekerja sebagai berikut : mula-mula ruang bakar dibilas dengan nitrogen, kemudian oksigen dan acetylene diinjeksikan ke dalam ruang bakar . Pada saat pertengahan dari injeksi ini, partikel powder diinjeksikan ke ruang bakar. Sesaat kemudian dilakukan penyalaan busi dalam chamber tersebut. Ini menghasilkan gelombang detonasi dari pembakaran gas-gas tersebut. Energi yang dihasilkan juga membakar partikel powder menuju substrat dengan kecepatan tinggi. Proses tersebut berulang sehingga diperoleh lapisan material pada permukaan substrat.

2.

METODOLOGI PENELITIAN

Proses penembakan dilakukan dengan menggunakan peralatan Detonation Gun “DGUN PPF01” yang dirancang bangun dan dioperasikan di Pusat Penelitian Fisika LIPI Serpong. Parameter operasi pelapisan yang ditetapkan adalah rasio gas bakar C2H2 : O2 sebesar 1,05 : 2,8; jarak antara ujung laras D-Gun dengan sampel sejauh 140 mm, dan frekuensi tembakan 1 Hz. Tabel 1. Variasi Pengukuran Temperatur Proses No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tsd 1 Tembakan 3 Tembakan 5 Tembakan 10 Tembakan 15 Tembakan 20 Tembakan 30 Tembakan 50 Tembakan 75 Tembakan 100 Tembakan

Tsb 1 Tembakan 2 Tembakan 5 Tembakan 10 Tembakan 15 Tembakan 20 Tembakan 30 Tembakan 50 Tembakan 75 Tembakan 100 Tembakan

*Tlrb 0 cm 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm

*Jarak dari ujung laras D-Gun Untuk mengetahui distribusi temperatur selama operasi D-Gun, dilakukan pengukuran temperatur aktual di bagian depan substrat baja, bagian belakang substrat baja, dan di dalam laras. Pengukuran di bagian depan substrat baja dimaksudkan untuk mengetahui temperatur aktual di permukaan substrat ketika aliran gas yang membawa material yang akan dilapiskan menabrak permukaan substrat. Sementara pengukuran di bagian belakang substrat dimaksudkan untuk mengetahui perbedaan temperatur antara bagian depan dan bagian belakang substrat sesaat setelah penembakan. Adapun pengukuran temperatur di bagian dalam laras dimaksudkan untk mengetahui distribusi temperatur pada saat operasi sebagai fungsi jarak dari mulut laras. Pengukuran temperatur dilakukan dalam kondisi tanpa bubuk (hanya aliran gas pembawa) menggunakan

46


Volume 30 (2) 2012 : 45-50 ISSN : 0125-9121

termokopel tipe K yang dihubungkan dengan kontroler PID dan komputer untuk akuisisi data. Parameter proses yang diukur adalah temperatur di bagian depan substrat (Tsd), temperatur di bagian belakang substrat (Tsb), serta temperatur di dalam laras dan ruang bakar (Tlrb). Variasi untuk setiap pengukuran tersebut ditunjukkan pada Tabel 1.

3.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 2 menunjukkan kurva hubungan jumlah tembakan dengan temperatur maksimum aktual di bagian belakang substrat. Dari Gambar tersebut terlihat bahwa terdapat korelasi positif antara jumlah tembakan dengan temperatur maksimum di bagian belakang substrat. Temperatur maksimum tertinggi tercatat 234˚C untuk jumlah tembakan maksimum (100 tembakan). Hal ini merupakan suatu yang umum karena jumlah tembakan yang semakin banyak memberikan jumlah energi yang lebih besar yang dikonversikan dalam kenaikan temperatur. Selain itu terlihat pula fenomena dimana pada tiga variasi tembakan terakhir laju kenaikan temperaturnya mengalami penurunan. Hal ini kemungkinan terjadi karena masih adanya sisa-sisa bubuk yang pada akhirnya melapisi bagian depan substrat. Lapisan ini menambah ketebalan lintasan yang harus dilalui oleh panas di bagian depan untuk merambat ke bagian belakang sehingga dapat diukur oleh termokopel. Dengan demikian, laju penambahan temperatur menjadi semakin berkurang karena adanya penambahan lapisan tersebut.

Gambar 2. Kurva hubungan jumlah tembakan dengan temperatur pada bagian belakang substrat. Gambar 3 menunjukkan kurva hubungan jumlah tembakan dengan temperatur maksimum aktual di bagian depan substrat. Mirip dengan pengukuran sebelumnya, pada data awal jumlah tembakan grafik mengalami tren menaik dengan temperatur maksimum tertinggi tercatat 283˚C untuk 30 tembakan. Namun terlihat pula fenomena dimana pada tiga variasi tembakan terakhir temperatur maksimumnya relatif stabil.

Gambar 3. Kurva hubungan jumlah tembakan dengan temperatur pada bagian depan substrat. Gambar 4 menunjukkan kurva hubungan jarak dari mulut laras dengan temperatur maksimum (50 tembakan). Dari Gambar tersebut terlihat bahwa semakin jauh jarak dari ujung laras yang berarti pula semakin

47 4



mendekati ruang bakar, temperatur maksimumnya memiliki tren naik. Temperatur maksimum tertinggi tercatat sebesar 556˚C pada jarak 70 cm dari ujung laras dengan posisi tepat di perbatasan antara laras dengan ruang bakar. Nilai tersebut jauh berbeda kemungkinan karena model matematis serta simulasi yang disusun belum memperhitungkan faktor aliran udara bebas dalam ruangan dan kelembaban udara ruangan.

Gambar 4. Kurva hubungan kedalaman dari mulut laras dengan temperatur maksimum tembakan (50 tembakan). Gambar 5 menunjukkan hasil analisis DTA (Differential Thermal Analysis) menggunakan instrumen DTA yang dikembangkan di P2 Fisika – LIPI dari bubuk Fe-50at%Al yang biasa digunakan untuk pelapisan dengan peralatan D-Gun di P2 Fisika - LIPI. Dari Gambar tersebut terlihat bahwa di atas suhu 400˚C mulai terlihat puncak eksotermik yang menandai mulai terjadinya perubahan fasa dari komposisi awal bubuk. Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa dengan temperatur di pusat ruang bakar yang terukur sebesar 556˚C, dapat dipastikan perubahan fasa terjadi saat di pusat ruang bakar. Perubahan fasa tidak mungkin terjadi lagi saat di mulut selongsong karena temperatur yang dicapai tidak memenuhi untuk terjadinya perubahan fasa lain. Dengan demikian dapat dipastikan bahwa fasa yang terlapis pada substrat adalah fasa yang terbentuk pada suhu 556˚C tersebut.

Gambar 5. Analisis DTA bubuk Fe-50at%Al yang digunakan untuk pelapisan.

4. KESIMPULAN Dari hasil pengukuran di atas disimpulkan bahwa temperatur aktual gas pembawa (carrier gas) yang terukur (566˚C) tidak setinggi temperatur hasil perhitungan teoritis dan simulasi yang mencapai 2245˚C. Disimpulkan pula bahwa model matematis dan simulasi yang dikembangkan masih memiliki kekurangan karena belum memasukkan factor aliran udara dan kelembaban udara dalam ruangan.

48


Volume 30 (2) 2012 : 45-50 ISSN : 0125-9121

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) atas pembiayaan kegiatan Kompetitif LIPI 2011 yang diterima sehingga dapat menerbitkan sebagian dari hasil kegiatan tahun 2011 yang diperoleh dalam bentuk tulisan ini.

DAFTAR PUSTAKA [1]. Balan, K.N. and Bapu, B.R.R., “The Hardness Enhancement Technique for Detonation Gun Coating.” Frontiers in Automobile and Mechanical Engineering (FAME), 2010, Issue Date 25-27 Nov. 2010, pp. 274 – 279. [2]. Machmud, F.W., Siregar, M.R.T. and Cece, “Study of Rapid Cooling of Iron Nickel Aluminium Alloy Deposited by D-Gun.” Proceeding of ASEAN-India Workshop and Annual Meeting on Surface Engineering (AISE) II, Research Center for Physics-Indonesian Institute of Sciences (LIPI), SerpongIndonesia (2009): pp. 79 – 83 [3]. Machmud, F.W., Siregar, M.R.T. dan Muchiar. “Ketergantungan tebal lapisan terhadapbeberapa parameter proses pelapisan D-Gun dengan menggunakan pendekatan statistic ANOVA.” Prosiding Seminar Nasional Applied Science for Technology Innovation (ASTECHNOVA) Universitas Gajah Mada, Yogyakarta (2009): pp. IV-19 – IV-29 [4]. Sundararajan, G., Prasad, K.U.M., Rao, D.S. and Joshi., S.V., “A Comparative Study of Tribological Behaviour of Plasma and D-Gun Sprayed Coatings under Different Wear Modes.” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 7, no. 3 (1998): pp. 343 – 351. [5]. Saravanan, P., Selvarajan, V., Srivastava, M.P., Rao, D.S., Joshi, S.V. and Sundararajan, G., “Study of Plasma- and Detonation Gun-Sprayed Alumina Coatings Using Taguchi Experimental Design.” Journal of Thermal Spray Technology, vol. 9, no. 4 (2000): pp. 505 – 512. [6]. Siregar, M.R.T., Machmud, F.W. dan Timuda, G.E. “Pengukuran Porositas Lapisan Tipis Paduan Besi Nikel Aluminium Hasil Proses D-Gun.” Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Kalibrasi, Instrumentasi dan Metrologi (PPI-KIM) ke-36 Tahun 2010 Pusat Penelitian Kalibrasi, Instrumentasi dan Metrologi – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (KIM – LIPI), Serpong (2010): pp. 206 – 213 [7]. Muchiar, Machmud, F.W., Siregar, M.R.T. Timuda G.E. dan Cece, “Pengaruh Parameter Proses Pelapisan pada Ketebalan dan Kekerasan Lapisan Alloy Fe38Ni10Al Hasil Detonation Gun Thermal Spray Coating.” Prosiding Seminar Nasional Fisika (SNF) 2010 Universitas Negeri Semarang, Semarang (2010): pp. FM107-1 – FM107-6. [8]. Siregar, M.R.T., Muchiar dan Timuda, G.E., “Pembentukan Lapisan Struktur Nanokristal dengan Detonation Gun dari Material Alloy FeNiAl.” Prosiding Seminar Nasional Fisika (SNF) 2010 Universitas Negeri Semarang, Semarang (2010): pp. FM204-1 – FM204-5. [9]. P. Saravanan, V. Selvarajan, D. S. Rao, S. V. Joshi, G. Sundararajan, “Influence of process variables on the quality of detonation gun sprayed alumina coatings”, Surface and Coating Technology, 123 (2000) 44-54. [10]. H. Du, W. Hua, J. Liu, J. Gong, C. Sun, L. Wen,”Influence of process variables on the qualities of detonation gun sprayed WC-Co coatings”, Materials Science and Engineering A, 408 (2005) 202-210. [11]. E. Kadyrov,”Gas-Particle Interaction in Detonation Spraying Systems”, Journal of Thermal Spray Technology, Vol 5(2), June 1996, p.185-195, ASM International. [12]. B. M. Rice and J. Hare,”Predicting heats of detonation using quantum mechanical calculations”, Thermochimica Acta 384 (2002) 377-391.

49 4


50


Karakterisasi Distribusi Termal Carrier Gas Pada Sistem Pelapisan Material D-Gun di Pusat Penelitian Fisika LIPI

Recommend Documents