Pengaruh rasio pencampuran Al2O3 – SiO2 sebagai pelapispada baja 4340 terhadap sifat thermal dan daya rekat

dengan metode Flame Spray untuk aplikasi nozel roket

Oleh : Ridwan Sunarya. - 2709100081

Pembimbing : Dr. Widyastuti S.Si, M.Si

Ir. Lilis Mariani, M.Eng. (LAPAN)

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI

FTI - ITS

PENDAHULUAN

BAB I

Roket dan Nozzle

Guidance System

Frame

Requirement

-Stabil pada temperatur tinggi (1200-1700 0C)

-Tahan tekanan tinggi (75-120 kN)

- Dapat menahan beban kejut saat temperatur tinggi

Nozelmengontrol laju

aliran, kecepatan, massa,

arah dan tekanan fluida,

yang keluar

Bahan superalloy, coating

material keramik

Adanya penelitian mengenai pelapisan dengan keramik Al203 -

SiO2 sebagai thermal barrier coating (X.Q Cao, et.al).

Nozel LAPAN berbahan

S45C yang dilapisi grafit

GAGAL

Material 4340

mendekati

properties

nozel roket

NASA

LATAR BELAKANG

Pelapisan B4C pada S45C

dan ST37 dengan Powder

Packed ( Ratih, 2004)

Inserting grafit pada nozzle

roket (LAPAN, 2008)

Pelapisan Al2O3 - SiO2

sebagai thermal barrier

coating untuk nozzle

(Ridwan, 2013)

Material

Pelapisan

Baja 4130 sebagai material

nozzle (NASA, 2004)

Penggunaan S45C sebagai

bahan nozzle (LAPAN, 2008)

Titanium Base Alloy (LAPAN, 2008)

Pelapisan serbuk WC dengan

metode HVOF (Bondan, 2006)

METODE THERMAL SPRAY

HVOF

FLAME SPRAY

PLASMA SPRAY

COLD GAS SPRAYING

VACUUM PLASMA

ARC SPRAYING

Variabel

Proses

Komposisi serbuk

Tebal lapisan

Jenis serbuk

Jarak Spraying Ukuran serbuk

Bentuk serbuk

Batasan Masalah

Serbuk yang digunakan merupakan pro analisisis

Pencampuran dan tebal lapisan serbuk dianggap homogen

Parameter proses pelapisan konstan

Unsur pengotor maupun faktor lingkungan dianggaptidak berpengaruh

Rumusan Masalah

Adhesifitas optimum

Persentase Al2O3 - SiO2 ??

Tujuan Penelitian

Persentase Al2O3 - SiO2

Adhesifitas optimum

Ketahanan Termal

Persentase Al2O3 - SiO2 ??

Persentase Al2O3 - SiO2

Tahan Termal

TINJAUAN PUSTAKA

BAB II

Proses Flame Spray

Thermal spray metode pelapisan dimana lapisan

yang dibentuk berasal dari tetesan material yang melted

atau semi melted.

Metode Flame Spray salah satu metode Thermal Spray

yang cocok digunakan untuk proses ceramic coating

(Maria Oksa et.al.,2011)

MaterialDipanaskan

di flame

Spray menuju substrat

Dapat berupa

serbuk atau kawat

.

Temperatur flame

dapat mencapai

3000 0C

Terjadi mechanical

bonding antara

lapisan dengan

substrat

Metode Flame Spray

Properties

Teknik pelapisan

Flame Spray Plasma Spray HVOF

Adhesive strength

(MPa)15 -30 15 – 25 90

Porositas (%) 10 - 20 1 – 7 < 1

Ketebalan (um) 100 – 2500 300 – 1500 100 - 300

Ukuran partikel

(um)5 – 100 20 – 90 5 - 45

Material Thermal Barrier Coating (TBC)

Mampu menahan beban operasimendekati titik lelehnya

Mampu menahan degradasi mekanik pada temperatur tinggi

Tidak mudah bereaksi denganlingkungannya saat temperaturtinggi

Material

Keramik

Tabel perbandingan material TBC

Material Thermal Barrier Coating

ZrO2 YSZ Mullite Al2O3 SiO2 TiO2 La2ZrO4

Titik leleh (0C) 2600 2700 1850 2050 1726 1825 2300

Koefisien thermal (10-6K-1) 15.3 11.5 5.3 9.6 10.3 9.4 9.1

Konduktifitas termal (W/mK) 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

*X.Q. Cao, et.al, 2004

Al2O3

SiO2

Mullite

*Giovanni Di Girolamo, et.al, 2010

- Stabil temperatur tinggi

- Kekerasan tinggi

- Tahan oksidasi

- Memiliki sifat ulet

- Tahan oksidasi

-Konduktifitas thermal kecil

-High resistance oxidative

- High thermal shock resistance

Diagram Fasa Mullite

Baja 4340

Tabel Komposisi Kimia Baja AISI 4340

(ASMHandbook Vol. 1)

UNSUR PADUAN wt (%)

Carbon 0.38 – 0.43

Chromium 0.70 – 0.90

Manganese 0.60 – 0.80

Molybdenum 0.20 – 0.30

Nickel 1.65 – 2.00

Silicon 0.15 – 0.35

Tabel Perbandingan Material Nozel

* NASA Astrophysics Data System

S45C Material

nozel (4130)

4340

Density (kg/cm3 ) 7.7 7.83 * 7.85

Modulus of elasticity ( 103 ksi) 28.89 29.0 * 21.0

Tensile Strength (Mpa) 686 710 1420

Yield strength (Mpa) 490 540 1325

METODOLOGI

BAB III

Bahan Bahan

Baja 4340

Serbuk NiAl Serbuk Silika Serbuk Alumina

PERALATAN

Pyrometer

Las Oksiasetilen

Shieve Shaker

Flame Spray

Ball milling

Neraca

ANALISA DATA DAN

PEMBAHASAN

BAB IV

Karakterisasi material serbuk

a b

Gambar Serbuk Al2O3 (a) sebelum , (b) setelah proses milling

Serbuk Al2O3

Serbuk SiO2

ba

Gambar Serbuk SiO2 (a) sebelum , (b) setelah proses milling

Serbuk campuran Al2O3 dan SiO2

ba

c

(a) 80% Al2O3 + 20% SiO2

(b) 70% Al2O3 + 30%SiO2

(c) 60% Al2O3 + 40% SiO2

Al2O3

SiO2

PROSES PELAPISAN

SUBSTRAT 4340 SETELAH DI ABRASIVE GRIT

BLASTING

SETELAH DILAPISI AL203 - SiO2

SETELAH DILAPISI NIAL

Proses pemanasan spesimen

Gambar (a) proses pemanasan (b) spesimen yang telah di

uji thermal

a b

PENGUJIAN SAMPEL

Hasil Pengujian SEM

Sebelum pengujian termal

(a) 80% Al2O3 + 20% SiO2

(b) 70% Al2O3 + 30%SiO2 dan (c) 60% Al2O3 + 40% SiO2

topcoat

bondcoat

substrat

Serbuk Silikamempunyai

permukaan kasar

Interpartikelfriction menjadi

lebih besar

Flowabilitymenjadi

berkurang

Serbuk saatdispray

cenderungmenumpuk

Semakin banyakpersen SiO

semakin teballapisan

Permukaan

kasar

Setelah pengujian termal

(a) 80% Al2O3 + 20% SiO2

(b) 70% Al2O3 + 30%SiO2 dan (c) 60% Al2O3 + 40% SiO2

topcoat

bondcoat

substrat

Hasil morfologi lapisanyang tidak merata

Menyebabkan adanyasudut yang dapat

memicu initial crack

Saat uji thermal terjaditekanan di lapisan

pada temperatur 1400 0C

Terjadi pengurangantebal lapisan setelah

uji thermal

Lapisan

tidak rata

Hasil Pengujian XRDSebelum pengujian termal

(a) 80% Al2O3 + 20% SiO2

(b) 70% Al2O3 + 30%SiO2 dan (c) 60% Al2O3 + 40% SiO2

a b

c

Setelah pengujian termal

(a) 80% Al2O3 + 20% SiO2

(b) 70% Al2O3 + 30%SiO2 dan (c) 60% Al2O3 + 40% SiO2

a

c

b

Sebelum thermal tidak terbentuk mullite ??

Temperatur pada saat flame spray belum mencapaidiatas1400 0C

Waktu pemanasan yang dibutuhkan untuk mullitizationkurang

Hasil Pengujian Adhesifitas

Semakin banyak SiO2 semakin turun adhesifitas WHY ??

Serbuk silika yang berbentuk kasarpada permukaannya

Terjadi banyak porositas pada tiapserbuk

Ikatan antar partikel serbuk yang terbentuk rendah

Semakin banyak serbuk silikamenyebabkan kekuatan adhesifitassemakin menurun

kasar

porositas

KESIMPULANPersentase Al2O3 berpengaruh terhadap adhesivitas

lapisan, semakin banyak persen SiO2 maka kekuatan

adhesif lapisan semakin menurun

Persentase Al2O3 - SiO2 mempengaruhi ketebalan

lapisan yang terbentuk, semakin banyak persen SiO2

maka semakin tebal lapisan yang terbentuk.

Serbuk dengan persentase 70% Al2O3 – 30%SiO2

merupakan yang paling optimum untuk membentuk fasa

mullite.

Sekian

Pertanyaan ?? Saran ??