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 960 o C. 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 800 o -2000 o 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 800 o - 2000 o 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 (ZrO 2 – 8wt% Y 2 O 3 ) 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 Al 2 O 3 /YSZ diatas lapisan bondcoat agar ketahanan termalnya semakin baik. Pada penelitian sebelumnya dilakukan dengan 95% YSZ - 5%Al 2 O 3 yang menghasilkan struktur TBC yang lebih tahan terhadap oksidasi karena Al 2 O 3 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 Al 2 O 3 pada lapisan komposit YSZ/Al 2 O 3 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 Al 2 O 3 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 Al 2 O 3 menggunakan Siever Shaker dengan variasi komposisi Al 2 O 3 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 Al 2 O 3 DAN JARAK FLAME SPRAY TERHADAP KETAHANAN TERMAL DAN KEKUATAN LEKAT PADA YSZ-YSZ/Al 2 O 3 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
7
Embed
PENGARUH KANDUNGAN Al2O3 DAN JARAK FLAME SPRAY …digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-38473-2710100084-paper.pdfpanas pada dinding dalam nosel roket. Pelapisan dilakukan dengan variasi
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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