Disable Preloader

Berita

11 Januari 2019

"Semprotan Panas" Untuk Lapisan "Tahan Panas"

Pelapisan atau coating. Adalah teknologi untuk melapiskan suatu jenis material di atas permukaan material lainnya. Pada material struktur, teknologi ini dibutuhkan terutama untuk meningkatkan sifat-sifat mekanik dan ketahanan terhadap oksidasi dan korosi pada suatu material. Yaitu dengan cara melindungi salah satu (atau kedua) sisi permukaan yang bersinggungan langsung dengan suatu aplikasi tertentu. Misalnya di bidang otomotif, untuk melapisi bagian yang gampang aus. Atau contoh lain di pembangkit listrik, turbin gas, pipa, atau transfer roll pada fabrikasi strip baja hot-rolled, untuk melindungi permukaan komponen yang langsung bersinggungan dengan sumber panas[1][2]. Gambar 1 menampilkan contoh beberapa komponen yang memerlukan perlindungan terhadap panas dalam aplikasinya[2]. Perlindungan terhadap panas diperlukan karena pada suhu tinggi logam mudah teroksidasi/terkorosi oleh oksigen/agresif element seperti halnya sulfur dan chlorin di udara. Contoh korosi yang paling sering kita temui adalah terbentuknya karat pada besi.

 

Gambar 1. Beberapa contoh komponen yang memerlukan perlindungan terhadap panas[2].

Salah satu jenis material pelapis yang menarik untuk dipelajari adalah paduan logam berbasis Fe-Al (Fe = Ferrum atau besi, Al = Aluminium). Material ini menarik karena sistemnya sederhana, terdiri dari material penyusun yang murah dan mudah ditemui, dengan metode fabrikasi yang relatif mudah dan murah pula. Terlebih lagi, paduan logam yang dihasilkan memiliki sifat-sifat yang unggul, antara lain densitas yang rendah (sehingga ringan), rasio strength-to-weight (kekuatan terhadap berat) yang tinggi (atau dengan kata lain ringan dan kuat), tahan terhadap oksidasi dan keausan (keras/ nilai hardness tinggi), dan pada suhu tinggi juga resisten terhadap oksidasi dan sulfurisasi[1][3]. Kemampuan material ini menahan oksidasi pada suhu tinggi adalah karena pada suhu tinggi terbentuk lapisan pelindung berupa oksida aluminium (alumina, Al2O3)[3]. Terbentuknya pelindung ini mencegah oksigen berinteraksi dengan elemen logam terkandung lainnya, sehingga korosi tertahan.

Berbagai metode bisa digunakan untuk melapiskan material ini. Salah satu metode yang mampu memberikan ikatan yang kuat antara material pelapis dan subsrat yang dilapisi adalah metode berbasis hot-spray (semprotan panas). Gambar 2 memperlihatkan beberapa jenis teknologi pelapisan berbasis hot-spray coating. Pada metode ini, material yang akan dilapiskan diberi energi tinggi sehingga meleleh (atau setengah meleleh), dan kemudian lelehan tersebut disemprotkan ke atas substrat. Lelehan material berenergi tinggi (panas) terkombinasi dengan kelajuan yang tinggi pada saat bertumbukan dengan substrat. Inilah yang memungkinkan terbentuknya lapisan paduan logam dengan sifat-sifat yang baik dan memiliki adhesi/ikatan yang kuat dengan substrat. Namun demikian, metode ini juga memiliki beberapa kelemahan. Kelemahan utama yang menjadi perhatian kami adalah terbentuknya oksida logam yang tidak diinginkan selama proses pelapisan. Hal ini dalam aplikasi pada suhu tinggi bisa menjadi sumber intrinsik dari terjadinya degradasi material. Sebagai contoh, kita ambil kasus pada flame-spray-coating.

Gambar 2. Berbagai jenis hot-spray coating

Pada flame spray coating, material pelapis disiapkan dalam bentuk serbuk. Serbuk pelapis ini dikumpulkan di dalam tabung feeder, kemudian diinjeksikan ke dalam ruang penyembur memanfaatkan gravitasi yang dibantu oleh penggetar. Begitu serbuk masuk ke dalam ruang penyembur, seketika akan terdorong keluar oleh gas pendorong. Begitu serbuk berada di ujung spray gun, serbuk akan bertemu dengan nyala api (flame) yang dihasilkan dari pembakaran gas bakar (misalnya asetilen dan oksigen). Energi tinggi dari nyala api akan membuat serbuk meleleh. Secara bersamaan lelehan ini terdorong oleh gas pendorong sehingga menumbuk substrat. Gambar 3 memperlihatkan prinsip kerja flame spray coating dan foto spray gun yang digunakan di P2F LIPI. Umumnya gas pendorong adalah udara yang dikompresi/bertekanan tinggi. Udara terkompresi ini mengandung oksigen. Selain itu, terdapat juga kontribusi oksigen dari gas bakar yang digunakan dan lingkungan sekitar ketika pelapisan berlangsung. Keberadaan oksigen pada saat pelapisan ini sangat memungkinkan membuat terbentuknya oksida logam yang tidak diinginkan. Sehingga, ketika diaplikasikan di suhu tinggi, bisa menjadi sumber oksidasi.

Gambar 3. (a) Prinsip kerja Flame Spray Coating, (b) Spray Gun yang digunakan di P2F LIPI[4]

Untuk meminimalkan terbentuknya oksida logam (dalam hal ini oksida besi) yang tidak diinginkan tersebut, kami melakukan berbagai optimasi pada metode pelapisan menggunakan flame spray coating. Di antaranya: mengubah gas pendorong dari udara menjadi nitrogen, mengkondisikan atmosfer sekitar substrat ketika pendinginan (setelah pelapisan selesai), serta memvariasikan rasio gas bakar (Gambar 4) dan jarak tembak. Kami telah mengamati adanya perbedaan antara sebelum dan sesudah optimasi dilakukan. Lapisan sebelum optimasi mengandung oksida besi yang tidak diinginkan. Setelah optimasi, oksida besi tidak lagi terdeteksi (Gambar 5). Terlebih lagi, tingkat kekerasan (hardness) ternyata juga menjadi lebih tinggi[5]. Hasil lebih detil dari penelitian ini telah disampaikan pada The 4th International Symposium on Frontier of Applied Physics (ISFAP) 2018. Dan bagi pembaca yang tertarik dengan detil dari penelitian ini bisa membaca prosidingnya yang akan dipublikasikan dalam waktu dekat ini (Referensi [5]).

Gambar 4. Foto perbedaan flame / nyala api ketika rasio gas bakar diubah[5].

 

Gambar 5. (a) Foto substrat, (b) Setelah Flame Spray Coating  dengan  Fe-Al, (c) XRD sebelum dan sesudah optimasi, menunjukkan tidak terdeteksinya FeO setelah optimasi[5].

[1]M. Zamanzade, A. Barnoush, and C. Motz, “A Review on the Properties of Iron Aluminide Intermetallics,” Crystals, vol. 6, no. 10, pp. 1–29, 2016.Referensi

[2]European Energy Research Alliance, “Materials for high temperature energy applications, EERA position paper, With the contribution of EuMat,” 2018. [Online]. Available: https://www.eera-   set.eu/wp-content/uploads/FINAL-June-2018-EERA-EUMAT-position-paper-HT-materials.pdf.

[3]J. Cebulski and D. Pasek, “FeAl Intermetallic Alloy : Its Heat-Resistant and Practical Application,” in Intermetallic Compounds Formation and Applications, 1st ed., M. Aliofkhazraei, Ed. IntechOpen, 2018, pp. 1–20.

[4]Metallisation Thermal Spray equipment and consumables, “MK 74 Flamespray System, Operating Manual & Spare Parts List.” pp. 1–48, 2013.

[5]G. E. Timuda, B. Hermanto, and T. Sudiro, “Study of Flame Spray Coated Fe-Al using N2 as Gas Carrier,” in The 4th International Symposium on Frontier of Applied Physics (ISFAP) 2018 Proceeding (Accepted for publication), 2018.

 

-Gerald Ensang Timuda, M.Si., M.Eng-

Gambar Lainnya