VOLUME
JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA
3, NOMOR 2 JUNI 2007
Pengembangan Thermal Barrier Coating (TBC) NiCrAI pada Logam Paduan Berbasis Ni untuk Komponen Turbin Gas Hubby'!,· Kusnandar, Toto S., Anggito P.T., Diah 1., dan LA. Zaini T Pusm Penelitian FISiko. UPI Komplek PUSPIPTEK Serpong. Tangerang 15314
IntIsari Adanya fiIktor pengumngao emisi gas dan peningkatan efisiensi energi mengakibatkan makin banyaknya IIIBlIIl1ah kerusaImn kumponen akibat korosi tcmpeud.Ui tinggi. Semcntara ioi, buhao yang diguuakan untuk: peJapisan memiliki kandungan yang berbeda dari substratnya, dan temyata menimbuIkan beberapa masalah seperti terbentulmyatopologically closedphase (TCP) yang akan menimbuIkan retakan, terjadinyadelamination dan terbentuImya pemrukaan lapisan yang tidak rata. Oleh karena ito, pada penelitian ini dikembangbn TBC NIAI pada subsltat beJ:basis Ni dengan metode "gabungan eJektroplating dan pack cementatio1i. Pene1itian ini terdiri alas deposisi Ni dengan eIektroplating dan dcposisi AI dengan pack cementation. SeteJab ito diJalmlmn tes oksidasi pada temperatur IISO°C. Untuk auaIisa dan karakterisasi intmtifusi eIemen Iapisan dan substmt diJakgkan dengan EPMA. KATA K.UNCe
L
Thermal Barrier Coating (TBC). elelmuplating, pack cemenmtiou. WIAI, Iogam padnan WI. tmbin gas
PENDAHULUAN
Ratifikas, Traktat Kyoto tabun 2003 berkaitan dengao IrescJamatan lingkungao global, menuntut dunia industri untuk mengurangi gas emisi dan meningkatkan efisiensi termaI pada mesin jet dan mesin produksi energi 1istrik. Salah satu cam untuk mengunmgi emisi gas beracun seperti gas C02 adaIah dengan meningkatkan temperatur TIT (turbine inlet temperature) turbin gas dati tempe.Iatur opemsi TIT sekitar 110012S0°C dinaiklmn bingga mencapai 14SOoC. Tmgginya TIT ini mengakibatkan makin tinggijuga panas yang dialami oleh "bahan komponen mesin dan semakin banyak menimbulkan masaJab korosi dan kerusakan komponen turbin gas. Salah satu cam untuk mengatasi tingginya TIT ini ada1ah mendesain material yang mampu bekerja pada kondisi tempemtut tinggi. Sudu-sudu pada turbin gas biasanya dl1ruat khusus dati paduan super yang berbasiskan Dikel dan cobalt, dan mam.pu beroperasi pada kondisi temperature dan tegangao pada berbagaikomponen mesin yang saogat tinggi. Di lain pihak, meski sudah didesain sesuai kondisi yang di.. inginkan. temyata hal ini belum cukup. Maka cam yang lain adalah dengao TBC, yang memiliki konduktivitas thermal yang rendab, sebagai penaban pelindlmg untuk komponen paduan super Ni. Penggonaan mc akan memungkinkan mesin beroperasi pada temperatur ISO-200°C Icbm tinggi dati temperatur operasi kODVCllSional, eli mana permukaaan padusn super tetap dipertahankan di bawah batasan yang aman [1]. Dengan tempemtur operasi turbin gas sekarang ini, kegagalan mc dibasilkan dati melelehnya sudu-sudlL Tetapi.
*B-NUUL:
[email protected],
[email protected]
"@ Jurusan FISika FMlPA ITS
meski udak sampai pada kondisi yang separah ito, sudu-sudu menderlta karena tCrjadinya percepatan oksidasi, yang "tergaotung lingkungan, dan korosi panas. Coating mc dipertimbangkan mampu menyediakan ketahanan oksidasilkorosi panas pada komponen-komponen ini [2, 3]. Sistem mc ini biasanya terdiri atas lapisan keramik topcoat dan lapisan bond-coat di bagian. bawahnya. Keramik top-coat, biasanya berupa yttria stabilized zireonia (YSZ) dan lapisan bond-coat biasanya berupa aluminides (NiAl atau Ni2Als) dan MCrAlY (M = Ni , Co atau Fe). Sementara ini, bahan yang digunakan untuk" pelapisan memiliki kandungan yang berbeda dati subs1ratn.ya, yakni pada bond coat, di mana hal ini temyata menimbulkan beberapa masaJab yaitu: terbentuknya topologically closed phase (TCP) yang akan menimbulkan retakan, teJjadinya delamination dan terbentuknya permukaan lapisan yang tidak rata. Oleh karena ito, pada peneJitian ini dikembang1mn mc bond coat NiAl pada substrat berbasis Ni dengan metode gabungan electroplating-pack cementation.
n.
DASAR TEORf
mc
Sistem ini biasanya terdiri dati dna lapisan yaitu Iapisan keramik top-coat dan lapisan bond-coat eli bagian. bawahnya. Gambar 1 adalab ilustrasi tampang lintang sisteJ:n dan distribusi panas pada komponen lidah turbin gas Kemmik. top-coat, biasanya berupa yttria stabilized zirconia (YSZ) yang mempunyai titik Ieleh tinggi, reaktifitas kimia dan konduktifitas termaI yang rendah dan bersifat resistan ter-
mc
badap serangao oksidasi. Sedangkan lapisan bond-coat biasanya berupa aluminides (NiAl &tau Ni2A1a) dan MCrAlY (M = Ni • Co &tau Fe) yang berfimgsi menjembahmj perbe-
070205-1
.1. Fffl. [JAN APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007
HUBBY 'I, dkk.
11mU,1..---T---r----.------r-----,
Thmft~,·".m",.
Coaled
i.
tMP,~
TmbineBlndo
o
of
1t100l
ia 1200l . e
ij
'I.)
,
i
8.E l000J:.~ ..... MU' Gambar I: lIustrasi tmnpang lintang Thermal Bamer Coating System dan distribusi panas pada komponen lidah twbin gas
400 L..-._.....I ..._...,..!4.,................-."LI_..L-.-J........u
o
daan koefisien termal ekspansi antara lapisan keramik dengan substrat Selain itu tujuan dari adanya bond coat ini ini adalah: (i) untuk menyediakan penahan permukaan layer keramik, (ii) untuk memberikan proteksi oksidasi terbadap zirconia yang sangat cepat bereaksi terhadap oksigen, dan (iii) untuk menawarkan beberapa k.etabanan terhadap bentukbentuk lain korosi yang termasuk oksidasi-sulfidasi dan korosi temperature tinggi (dari adanya deposit cairan alkali sulfate), yang dtbutuhkan jib terjadi layer keramik menga1ami patahan [2, 3]. Pack cementation ini dapat digunakan untuk membuat lapisan coating dengan tebal > 25 I'm [4]. Disamping itu, selama proses pengoperasian mesin, lapisan bond-coat akan memproduksi scale oksida AI 20 3 atau Cr20S yang bersifat protektif, sekaligus berfungsi sebagai perekat antara bond-coat dengan keramik top coat. Pada penelitian 00 digunakan bond coat NiAl (aluminide), di mana difusinya berdasarkan senyawa intermetallic ,8-NiAI (libat diagram fasa pada Gambar 2). Walaupun beberapa proses digunakanuntuk membentuk rasa tersebut, tetapi yang banyak digunakan adalah pack cementation, karena tidak membutubkan biaya yang mahal dan cocok untuk coating komponen-komponen kecil. Pack cementation merupakan salah satu kategori dari chemical vapor depOsition. Dalam proses 00, komponenkomponen yang mau di-coating, dicelupkan ke dalam campuran bubuk yang mengandung partikel-partikel AI20 3 dan aluminium. Ammonium halide sebanyak 1-2 wt% ditambahkan ke dalam "pack" ini. K.emudian dipanaskan sampai sekitar 800-1000°C dalam kondisi argon atau H2 • Pada temperatur ini, terbentuk aluminium halides yang berdifusi melalui "paclf' dan bereaksi pada substrat untuk mendepositkan logam AI. Pemelibaraan aktivitas AI pada permukaan substrat dapat didefinisikan ke dalam dua kategori metode deposisi AI, aktivitas rendah dan tinggi, yang masingmasing dibubungkan terhadap difusi keluar dan k.e dalam. Pada semen dengan kandungan AI rendah (aktivitas rendahlkeluar), pembentukan coating umumnya terjadi oleh difusi Ni, dan hasilnya terbentuk langsung layer NiAl,. kaya nikel. Proses ini membutuhkan telllpeiature tinggi (1000lIOO°C). Dalam pemakaiannya, interdifusi dengan substrat sangat dibatasi dan gradient At dalam ,8 sangat rendah. Sementara itu, pada semen dengan kandungan Al yang
At
20
40
00
Wf}'o NI
_(JUI-
80
10e
110m;}
- ....l
t. IW'. No!3, NlIPD c~_
_"""",,WI
-
Gambar 2: Diagram rasa Ni-Al (http://www.msm.cam.ac.uklphasetmnsI2003/Superalloysi coatingslaluminides.htnll) dan skema ilustrasi proses pack cemeotation(Z. Yo. dkk, 2005)
tinggi (aktivitas tinggi/ke dalam), pembentukan coating umumnya dengan difusi ke dalam 0100 AI dan mengbasilkan pembentukan NhAl3 dan kemungkinan ,8-NiAl. T empuQ/ure Aluminizing dapat lebih rendah (700-9500C). dalam kondisi coating 00 gradient konsentrasi AI sangat tinggi, dan juga selama pemakaian interdifusi dengan substrat terjadi signiftkan. Oleh karena itu, difusi oleh pemanasan pada umumnya terjadi pada 1050-1100°C,yang berguna memperoleh lapisan,8 penuh. Contoh mikrostruktur coating aluminide' aktivitas rendah ada Pada Gambar 3. Daerah luar berupa kaya AI dari fasa P-NiAl, sementara di bagian dalam berupa kaya Ni. Untuk deposisi Ni dan AI lapisan banyak, proses pack cementation dilanjutkan dengan pemanasan reaksi-difusi yang selanjutnya digunakan sebagai metode sintesis nickel aluminide thin film [4]. Komponen-komponen mesin panas mengalami degradasi oleh beberapa mekanisme yang berbeda. Sebagian besar mekanisme yang terjadi selama pemalcaian adalah cracking,
070205-2
J. Fls; DAN
HUBBY 'J, dkk.
ApL.,.VOL. 3, No.2, JUNI 2007
Oxidation Test at 11500 IhtIImiII JIii1R
i
a
- - I..... bllliiiDE8
i
1.5 1 0.5
~
0
i.
SI
1J$mi111!IIIiI
::!1
-o.~ ·1 ·15 ·2
..
,
/-
~ ............ J!Q. @.
100
L!!
...............
Exposure t1mr. TIbr
Gambar 4; Grafik berat masa vs lama waktu oksidasi
Gambar 3: I1ustrasi skema coating aluminide yang diperoleh dengan pack cementation aktivitas rendah [5]
environmental attack, creep, wear dan metallurgical embrittlemellt. Cracking terjadi dikarenakan thermal mechanical fatigue dan atau creep, dan dapat juga dibantu oleh environmental attack dan metallurgical embrittemtmt. Environmental attack disebabkan olek oksidasi dan korosi panas, dan mengakibatkan pengikisan permukaan. Environmental attack dapat mengakibatkan patahan logam dalam kombinasi dengan fatigue dan creep. Jenis serangan ini dipertimbangkan sebagai degradasi coating yang utama. Creep merupakan distorsi atau elongasi komponen secara terus menerus, dan mengakibatkan cracking dan atau wear. Metallurgical embrittlemellt merupakan kehilangan sifat-sifat mekanis yang dikarenakan adanya perubahan metalurgis dalam suatu logam. Wear merupakan degradasl yang diakibatkan oleh kontak antara permukaan dua bahan. Prinsip mekanisme kegagalan dari TBC adalah spallation dari lapi:;;an keramik. Spallation ini disebabkan oleh interaksi sinergi antara oksidasi bond coat dan siklus termal. Oksidasi terjadi pada interface antara bond coat dan lapisan keramik [6]. ill. METODOLOGI PENELITIAN
. Bahan yang digunakan sebagai substrat dalam percobaan ini adalah paduan logam super berbasis Nikel yang banyak digupakan untuk keperluan bahan tempertur tinggi mencapai 1000oC. Komposisi kimia bah an ini tercantum pada Table 1. TABEL I: Komposisi Kirnia Bahan Sebelum coating Ni 62.99
Al 12.28
Co
Cr
W
Ta
Ti
9.32
9.18
3.05
1.06
0.87
S 0.001
Hf
M9
C
B
Si
Zr
0.47
0.31
0.35
0.083
0.Q15
0.014
Bahan dipotong membentuk plat berukuran (l5xlOx6) mm 3 , untuk keperluan proses electroplating pada bahan dilobangidengan diameter 1,5 mm untuk mengingkatkan
kawat nikel, dan sampel digosok dengan kertas ampelas nomor 150 diteruskan dengan pencucian dengan agitasi ultrasonic dalam methanol benzen. Adapun proses pembentukan lapisan alloy Ni-Al adalah sebagai berikut. 1. Sample dilapisi lagi dengan Ni-Watts setebal 50 {Lm 2. Diteruskan dengan proses AI pack cementation untuk membentuk lapisan NiAl sebagai lapisan cadangan Al . Pada percobaan ini telah disiapkan 2 jenis sample, yaitu sam pel berupa bahan substrat saja dan sam pel berupa bahan substrat yang dilapisi NiAI saja dan sam pel berupa substrat dengan lapisan Ni AI. Test oksidasi dilakukan pada udara statik pada temperatur 1150°C selama 600 jam. Pada kedua sample dilakukan penimbangan berat. Struktur mikro lapisari sebelum dan sesudah proses oksidasi diamati dengan EPMA untuk mendapatkan profil konsentrasi masing masing elemen.
IV. RASIL DAN DISKUSI
DaTi hasil tes oksidasi didapatkan bahwa berat sam pel alloy sebelum di coating sudah mulai mengalami pengurangan berat setelah 9 jam dan mulai terkelupas setelah 25 jam. Hal ini menunjukkan bahwa rentang waktu 0-9 jam sam pel alloy terbentuk lapisan oksida sehingga terjadi kenaikan berat sampel, kemudian dikarenakan serangan oksidasi dan korosi panas yang sangat hebat: sampel mulai terkorosi dan mengelupas, sehingga berat sampel terus berkurang, sebagaimana terlihat pada Gambar Sa. . Sementara itu untuk sampel yang sudah dicoating, dad 025 jam sampel mengalami kenaikan berat yang relatif sedang, kemudian setelah itu kenaikan berat sam pel sangat sedikit bahkan cenderung landai. Hal ini menunjukkan pada sampeJ hanya timbul lapisan oksida saja, dan lapisan ini cukup stabil sampai berakhimya tes oksidasi. Timbulnya lapisan oks ida ini berasal dari reaksi oksidasi AI dari fase NiAI pada bagian ekstemal yang memang kaya akan AI. Akan tetapi jika dilihat Gambar 5b terlihat ada sedikit serpihan dari kerak lapisan oksida pada sampel yang terkelupas. Jika diperhatikan lebih lanjut, pada bagian atas substrat terlihat timbul banyak topologically closed packed (TCP)
070205-3
J. Fis. DAN APL., VOL. 3, NO.2, JUNI 2007
HUBBY 'I, dkk.
(8)
yang dapat mengurangi sifat mekanis dan substrat. Tunbulnya TCP ini kenllmglrinan diakibatkan oleh proses oksidasi yang menyebabkan perubahan komposisi kimiapada substrat, sehingga timbul suatu fasa bam dan memang pada paduan super Ni dan Co, di mana keduanya merupakan paduan yang metastabil, lebih mudah timbul fasa TCP dan ini merupakan salah satu kelemahan dan kedua paduan t~ebut, sebagaimana yang dikatakan Henry L. Bernstein [6]. Dan eli bagian internal dari lapisan coating NiAl terjadi perubahan fasa dari !3 NiAl menjadi !3 + i NiAl. Dari basil analisa EPMA· pada Gambar 7a dari sampel yang sudah Wcoating dan setelah tes oksidasi, dapat diketahui bahwa pada bagian eksternal dari lapisan coating !3 NiAl,sebagian besar berupa oksida dan AI, kemudian ada Ni dan sebagian kecillainnya berupa Co, Cr, W, Ti dan Re. Jika dilihat lagi pada Gambar 7c, pada komposisinya terdapat juga Hf. Sementara itu pada bagian intema1nya, komposisinya sebagian besar berupa Ni dan AI, dan sebagian kecil lainnya berupa Co, Cr, W, 0, T.. Ta dan Re. Pada bagian ini tidak elitemukan adanya unsur lit: sebagaimana pada bagian ekster-
(b)
nal.
Gambar 5: Foto makro dIiri sampel sebelum coating (a) dan sesudah coating (b) setelah tes oksidasi.
Untuk substratnya sebagian besar komposisinya berupa Ni, AI, Cr dan Co. Dari g;unbar tampak bahwa dengan semakin lamanya waktu oksidasi, AI cenderung menurun, semetltara itu Cr dan Co cenderung naik. Hal ini menunjukkan bahwa unsur AI setelah terdifusi ke ·Iuar membentuk lapisan oksida Al2 0 a, juga terdifusi ke substrat. Sementara unsur Cr dan Co pada substrat tampak terdifusi ke arab permukaan, hal ioi dapat diketahui dari adanya unsur Cr dan Co pada bagian internal dan eksternallapisan coating NiAl. Adanya unsur-unsur seperti W, T.. Ta, Re dan Hf pada bagian eksternal, menunjukkan unsur-unsur solid solution hardening itu ikut berdifusi sampai ke permukaan, eli mana hal ini elitunjukkan pada Tabel 2, komposisi kimia dari bagian eksternal, kaya AI, setelah tes oksidasi. TABEL II: Komposisi kimia dari bagian ekstemal, kaya AI, setelah tea oksidasi
(8)
After Oxidation 1150 0 for 100 hts with barrier
TCP
!~.•
(b) ,
Gambar 6: Foto. struktur mikro dari sampel alloy (kiri) dan sampel yang sudah dicoating (kanan)sesudah tea oksidasi
AI
Cr
Co
Ni
76.2
1.4
0.7
21.4
Zt 0.04
Mo
Hf
Ta
W
Re
0.01
0.10
0.1
0.06
0.05
Untuk komposisi kimia dari fasa TCP pada bagian sebelah kiri, urutan komposisinya sebagian besar berupa Ni. W, Cr, Co dan AI. Pada fasa ini terlihat unsur Ni komposisinya jauh lebih rendah jika dibandingkan pada bagian substrat lainnya, dan unsur W dan Cr naik cukup tinggijika dibanelingkan lainnya. Pada fusa TCP lainnya yang disebelah kanan dari fasa TCP sebelumnya, unsur Nijuga mengalami penurunan, meski lebih sedik:it sebelumnya, dan unsur W juga sedik:it ikut naik, juga diikuti oleh Cr. Kemudian jika elibandingkan lebih lanjut pada fasa TCP di bagian tengah, di mana urutan komposisinya sebagian besar berupa H1: Ti dan Ni. Sedangkan uotuk yang lain masing-masing besamya eli bawah 5%. Kejadian ini menunjukkan adanya persamaan bahwa setiap adanya fasa TCP,maka di titik itu terjadi penurunan Ni. Adanya W yang diikuti Cr. dan Hfmerupakan solid
070205-4
HUBBY '1, dick.
J. FIS. DAN APL.,VOL. 3, No.2, JUNI 2007
(b)
(a)
(c)
.. Gambar 1~ Komposisi kimia sampel yang tercoating dan setelah res oksidasi, 7a) untuk 100% atom komposisi, 7b)untuk 25 % atom komposisi dan 7c) 1% atom komposisi
dasi dan korosi panas sebingga sampel setelah uji oksidasi masih dalam kondisi yang baik.
solution hardening yang metastabil". cenderung ingin kembali ke fasa yang stabil.
v..
2. Pada penelitian ini masih tanipak adanya difusi unsur Cr dan Co, juga unsur-unsur yang kecillainnya ikut berdifusi sampai ke perniukaan lapisan coaling.· Dan unsur AI yang ikut berdifusi ke substrat.
SIMPULAN
Telah·dllakukan thermolbarrier coating (TBC) bond coat pada paduan khusus berbasis Nikel dengan proses electroplating Niwatts dan proses pack-cementation Al dengan media serbuk alumina. Hasil pengujian pelapisan dengan tes oksidasi diudara statis pada temperaturl150°C dan analisa prorc' . 1._·· .., 1" ••• . ,. 111 ~1~Clll IUllluniClUClIWII UWlliClliUUWI UMIUIIliI 1I1ClllWIJUIYUUI
3. Pada penelitian inijuga masih timbul adanya fasa topologically closed packed (TCP) yang dapat menU11Plkan sifat mekanis dari substrat dan menimbulkan nantinya awal pataban.
bahwa: 1. Lapisan coating NiAltelah mampu menahan laju oksi-
L1]
J.P. Singh,dkk, Journal of the American Ceramic Society 84, 10,2385-93 (2001»
[2] http://www.msm.cam.ac.uklphase-transI2003/Superalloysl coatings!a1uminides.html, 24/04/07; 08:03. . ~3Jhttp://www.msm.c8m.ac.uklphase-transI2003/Superalloysl coatings! index.html, 24/04/07;08:15.
(2005)
[5] D. Coutsouradis et a1., cds. (Appl. Sci. Pub., London, 1978) [6] Hemy L. Bernstein,. 2006,· http://turbolab.tamu.edulpubsl Turbo35 1T3504ASME.pd~ 24/04/07. 03:59 [7J http://www.tms.org}MeetingsiSpeciaity/Superalloys2000/ SuperalloysHistory. html,23/04/07; 0915.
[4] Z. Yu,dkk, Materials Science and Engineering A 394, 43-52
010205-5
