PELAPISAN PERMUKAAN DALAM NOSEL ROKET RKX100
DENGAN Cr
2C
3-NiCr HVOF : OPTIMASI KEKUATAN
LEKAT MELALUI VARIASI KEKASARAN PERMUKAAN
Bondan T. Sofyan , Yus Prasetyo. Sayid Ardiansyah'i.dan Edi Sofyan")
•JPeneliti Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok ") Peneliti Pusat Teknologi Wahana Dirgantara, LAPAN
ABSTRACT
Nozzle of RKX100 rocket contributes 30 % to t h e total weight of t h e structure, so t h a t allowing further r e s e a r c h on weight reduction. An alternative for this is by substitution of massive graphite, which is currently used as thermal protector in the nozzle, with thin layer of HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) thermal spray layer. A series of study on the characteristics of various type of HVOF coating material have been being conducted. T h i s paper presented t h e investigation on the HVOF Cr2C3-NiCr thermal spray coating, in particular, the optimization of bonding strength by varying surface r o u g h n e s s of s u b s t r a t e s . Characterization included bonding strength test, micro h a r d n e s s m e a s u r e m e n t and micro structural observation with optical microscope and scanning electron microscope (SEM).
The results showed that grit blasting pressure increases t h e surface r o u g h n e s s from 4.54 jam to 5.72 pm at the p r e s s u r e of 6 bar. Average micro h a r d n e s s of the coating was 631 VHN300- Coating applied to the surface with r o u g h n e s s of 5.42 pm possessed the highest bonding strength, 44 MPa. Microstrucrural observation by using optical microscope a n d s c a n n i n g electron microscope (SEM) confirmed dense lamellae s t r u c t u r e with variable composition. High coating adherence w a s found to be due to mechanical interlocking.
ABSTRAK
Nosel roket RKX100 m e n y u m b a n g sekitar 30 % dari berat total struktur, sehingga sangat t e r b u k a kemungkdnan u n t u k mereduksi beratnya. Salah satu alternatif u n t u k m e r e d u k s i berat adalah dengan m e n s u b s t i t u s i lapisan grafit masif yang s e l a m a ini dipakai dengan lapisan p e n a h a n p a n a s yang dimanufaktur dengan proses HVOF {High Velocity Oxy-Fuel\. Studi dilakukan t e r h a d a p berbagai material pelapis u n t u k mencari d a n m e n e n t u k a n y a n g paling optimal u n t u k aplikasi di nosel roket. P a d a m a k a l a h ini a k a n disampaikan hasil studi t e r h a d a p material pelapis CrjCs-NiCr, k h u s u s n y a s t u d i mengenai optimasi k e k u a t a n lekat melalui variasi kekasaran p e r m u k a a n . Karakterisasi m e n c a k u p uji k e k u a t a n lekat, kekerasan mikro dan m i k r o s t r u k t u r lapisan.
Studi m e n u n j u k k a n t e k a n a n u d a r a grit blasting a k a n meningkatkan k e k a s a r a n p e r m u k a a n dari 4 , 5 4 pm sebelum grit blasting menjadi 5,72 pm dengan t e k a n a n u d a r a
grit blasting 6 bar. Kekerasan mikro rata-rata lapisan adalah 631 VHN300. Kekuatan
tertinggi sebesar 44 MPa dimiliki oleh lapisan yang diaplikasikan p a d a permukaan dengan k e k a s a r a n 5,42 pm hasil grit blasting dengan t e k a n a n u d a r a 4 bar. Analisis s t r u k t u r mikro m e n g g u n a k a n mikroskop optik d a n scanning electron microscope (SEM) m e n u n j u k k a n b a h w a lapisan t e r s u s u n a t a s lamel yang relatif p a d a t dengan komposisi bervariasi p a d a d a e r a h berbeda. Penguncian mekanis [mechanical interlocking) a n t a r a lapisan d a n s u b s t r a t m e r u p a k a n mekanisme u t a m a yang berkontribusi p a d a k e k u a t a n lekat lapisan.
1 LATAR BELAKANG
Roket RKX100 m e r u p a k a n roket kendali balistik berdiameter 100 mm yang sedang d i k e m b a n g k a n oleh LAPAN
saat ini. Salah satu aspek yang menentu-k a n menentu-kinerja romenentu-ket t e r s e b u t a d a l a h berat, di m a n a s a a t ini proporsi berat b a h a n b a k a r : berat s t r u k t u r : berat m u a t a n masih di luar kondisi ideal, yaitu 91 % berat b a h a n bakar, 3 % berat s t r u k t u r d a n 6 % b e r a t m u a t a n [ASM, 1992]. P a d a roket RKX 100, komponen nosel menyum-b a n g 30 % dari k e s e l u r u h a n menyum-berat s t r u k t u r , sehingga s a n g a t t e r b u k a kemungkinan u n t u k melakukan modifikasi t e r h a d a p material d a n proses pem-b u a t a n nosel u n t u k menghasilkan p e n u r u n a n berat roket yang signifikan. Salah s a t u altematif u n t u k mengurangi berat nosel adalah dengan mengganti lapisan grafit masif yang dipakai saat ini dengan lapisan t a h a n p a n a s setebal maksimum 1 mm. Serangkaian penelitian telah dilakukan u n t u k mengevaluasi kemungkinan pemakaian lapisan WC-Co
(Tungsten Carbide - Cobalt) pada
permuka-an dalam nosel, ypermuka-ang diaplikasikpermuka-an dengpermuka-an teknik HVOF (High Velocity Oxy-Fuet)
thermal spray. Selain WC-Co, material
lain yang d a p a t dipakai sebagai pelapis adalah Cr2C3-NiCr, yang diketahui memiliki k e t a h a n a n erosi yang baik [Li, C.J. d a n Li, W.Y., 2002]. Pada m a k a l a h ini disampaikan hasil studi mengenai lapisan Cr2C3-NiCr yang diaplikasikan p a d a material nosel roket RKX 100, s e c a r a k h u s u s dipelajari p e n g a r u h k e k a s a r a n p e r m u k a a n t e r h a d a p karak-teristik lapisan CnCs-NiCr yang dihasilkan.
2 METODE PENELITIAN
Material dasar yang digunakan adalah sesuai dengan material yang dipakai u n t u k nosel roket RKX 100, yaitu baja S45C dengan komposisi seperti t a m p a k p a d a Tabel 2 - 1 . Sampel dibuat sesuai s t a n d a r ASTM C633 seperti terlihat p a d a Gambar 2 - 1 .
Persiapan p e r m u k a a n dilakukan dengan grit blasting m e n g g u n a k a n
s e r b u k AI2O3 b e r u k u r a n 24 m e s h dan dengan variasi t e k a n a n u d a r a 3, 4, 5 d a n 6 bar. Sampel diberi label A, B, C, D d a n E masing-masing u n t u k sampel t a n p a grit blasting, 3, 4, 5 d a n 6 bar. Kekasaran p e r m u k a a n dari setiap sampel d i u k u r dengan surface roughness
tester Surfcom 120A. Proses thermal spray m e n g g u n a k a n Sulzer Metco HVOF gun dengan s e r b u k Cr2C3-NiCr p r o d u k
Deloro Satellite GmbH b e r u k u r a n rata-r a t a 2 0 u m .
Proses thermal spray dilakukan dengan t e k a n a n s e r b u k 45 psi dan temperatur 3 1 , 5 °C. Kekerasan mikro d i u k u r m e n g g u n a k a n metode Vickers dengan beban 300 gram.
Tabel 2 - 1 : KOMPOSISI MATERIAL DASAR, BAJA S45C Unsur C Mn P S Cr Cu Si Ni Fe I : 1 Wt. % 0.423 0.639 0.0045 0.01 0.05 0.072 0.191 0.045 Balance
Pengujian k e k u a t a n lapisan dila-k u dila-k a n s e s u a i dengan s t a n d a r ASTM C633 menggunakan pelekat Devco Epoxy dan FM 1000. Pelekat diaplikasikan p a d a p e r m u k a a n lapisan Cr2C3-NiCr secara m a n u a l d a n k e m u d i a n di-curing p a d a temperatur 150 °C. J u m l a h sampel u n t u k masing-masing parameter adalah 5 (lima). Penarikan sampel dilakukan m e n g g u n a k a n mesin tarik Shimadzu dengan b e b a n m a k s i m u m 2 ton d a n memakai alat b a n t u b e r u p a rantai. B e n t u k p a t a h a n dari sampel diamati secara visual d a n dengan menggunakan
G a m b a r 2 - l : B e n t u k sampel d a n posisi aplikasi lapisan Cr2C3-NiCr, s e s u a i s t a n d a r ASTM C633 S t r u k t u r mikro diamati dengan m e n g g u n a k a n sampel y a n g telah dites m e n g g u n a k a n l a r u t a n Murakami (KsFe (CN)6 : NaOH = 1 : 1 ) . Pengamatan dengan SEM dilakukan p a d a mode Back-Scattered
Electron. J u g a dilakukan analisis komposisi
mikro menggunakan detektor EDS (Energy
Dispersive Spectroscopy) di dalam SEM.
3 HASIL PBNELITIAN DAN PEMBA-HASAN
3.1Pengaruh Tekanan Grit Blasting terhadap Kekasaran Permukaan
Pengaruh t e k a n a n u d a r a grit
blasting t e r h a d a p k e k a s a r a n p e r m u k a a n
s u b s t r a t ditampilkan p a d a G a m b a r 3 - 1 . Terlihat b a h w a m e n i n g k a t n y a t e k a n a n u d a r a grit blasting menyebabkan peningkatan k e k a s a r a n p e r m u k a a n . Hal ini disebabkan k a r e n a d e n g a n t e k a n a n y a n g s e m a k i n tinggi, energi y a n g dimiliki partikel grit s e m a k i n tinggi, sehingga ketika terjadi t u m b u k a n dengan p e r m u k a a n s u b s t r a t terjadi deformasi yang semakin besar. Ada hal yang menarik yaitu d e n g a n p e r u b a h a n t e k a n a n u d a r a dari 5 b a r menjadi 6 bar, tidak dihasilkan p e n i n g k a t a n k e k a s a r a n p e r m u k a a n y a n g signifikan. Hal ini m e n a n d a k a n k e k a s a r a n optimum akibat
grit blasting telah tercapai p a d a t e k a n a n
tersebut. Sehingga u n t u k m e n d a p a t k a n p e r m u k a a n yang lebih k a s a r tidak dapat dilakukan dengan p e n a m b a h a n t e k a n a n u d a r a , tetapi h a r u s dilakukan dengan m e n g g u n a k a n partikel grit yang lebih kasar.
Gambar 3 - 1 : Pengaruh t e k a n a n grit
blasting terhadap kekasaran
permukaan s u b s t r a t
3 . 2 Kekerasan Mikro Lapisan
Data k e k e r a s a n mikro lapisan Cr2C3-NiCr ditampilkan p a d a Tabel 3 - 1 , di m a n a nilai kekerasan rata-rata lapisan adalah 631 VHN300- Nilai k e k e r a s a n ini lebih r e n d a h 13 % dari nilai kekerasan lapisan Cr2C3-NiCr tipe komposit yaitu ~ 714 VHN300 [Pawloski, 1995]. Perbedaan ini diperkirakan disebabkan oleh penggunaan parameter proses HVOF yang berbeda. Tabel 3 - 1 : HASIL PENGUJIAN
KEKERAS-AN MIKRO LAPISKEKERAS-AN Cr2C3 -NiCr J e j a k 1 2 3 4 5 di
Mm)
2 7 28,1 25,4 28,1 2 8 , 5 VHN 30c d2 (Dm) 33,4 31,6 32,2 3 1 , 1 31,4 d rata2 VHN 300 ( m) 3 0 , 2 609 29,85 624 28,8 670 29,6 634 29,95 620 r a t a - r a t a = 63150 urn
Gambar 3-2:Struktur mikro lapisan Cr2 C3-NiCr dengan proses
grit-blasting b e r t e k a n a n (a) 0
(tanpa grit blasting), (b) 3 bar, (c) 4 bar, (d) 5 bar dan
(e) 6 b a r
3 . 3 Struktur Mikro Lapisan
Foto mikro lapisan dari benda uji A, B, C, D d a n E ditampilkan p a d a G a m b a r 3-2. Foto mikro terlihat terdiri dari d u a bagian, di m a n a bagian a t a s adalah lapisan Cr2C3-NiCr, s e m e n t a r a bagian bawah adalah s u b s t r a t dengan k e k a s a r a n p e r m u k a a n tertentu. Tampak b a h w a lapisan Cr2C3-NiCr memiliki
s t r u k t u r lamel y a n g saling b e r t u m p u k disertai porositas, yang terlihat sebagai b u l a t a n kecil b e r w a r n a hitam.
G a m b a r 3-2a memperlihatkan p e n a m p a n g melintang b e n d a uji A yang tidak mengalami grit blasting. Tampak b a h w a p e r m u k a a n s u b s t r a t s a n g a t rata, sehingga lapisan Cr2C3-NiCr yang diapli-k a s i diapli-k a n p a d a p e r m u diapli-k a a n tersebut a diapli-k a n lepas segera setelah proses HVOF. Hal ini d i a k i b a t k a n oleh t i d a k a d a n y a mekanisme p e n g u n c i a n m e k a n i s
(mecha-nical interlocking) a n t a r a s u b s t r a t dan
l a p i s a n . G a m b a r 3-2b m e m p e r l i h a t k a n p e n a m p a n g melintang lapisan b e n d a uji B yang di- grit blasting d e n g a n t e k a n a n 3 bar, di m a n a terlihat p e r m u k a a n substrat yang lebih k a s a r dari p e r m u k a a n yang tidak di-grit blasting (Gambar 3-2a). P a d a kondisi ini lapisan tidak lepas d a n tetap melekat di p e r m u k a a n s u b s t r a t k a r e n a adanya mekanisme mechanical
interlocking. N a m u n terlihat a d a n y a celah
a n t a r a lapisan dan substrat. Celah ini terbentuk akibat proses pengamplasan p a d a saat persiapan sampel. Adanya celah ini m e n g g a m b a r k a n bahwa k e k u a t a n lekat a n t a r a s u b s t r a t dan lapisan m a s i h lemah. Sedangkan p a d a Gambar 3-2c s.d 3-2e terlihat permukaan s u b s t r a t yang lebih k a s a r dan tidak ada celah yang terjadi akibat proses peng-amplasan. T a m p a k j e l a s b a h w a lapisan Cr2C3-NiCr yang diaplikasikan p a d a p e r m u k a a n yang k a s a r memiliki k e k u a t a n lekat yang tinggi.
Hasil observasi s t r u k t u r mikro (Gambar 3-2) menunjukkan bahwa lapisan Cr2C3-NiCr memiliki lamel dengan w a r n a yang berbeda-beda. Hal ini mengindikasi-kan komposisi kimia yang berbeda, sehingga dilakukan p e n g a m a t a n lebih detil m e n g g u n a k a n SEM dan EDS. Foto s t r u k t u r mikro hasil SEM t a m p a k p a d a Gambar 3-3 d a n hasil analisis kimia lapisan dengan m e n g g u n a k a n EDS ditampilkan pada Tabel 3-2. Pada Gambar 3-4 terlihat p e n a m p a k a n lapisan Cr2C3-NiCr dengan w a r n a berbeda-beda, yaitu w a r n a putih, a b u - a b u d a n hitam (gelap).
Tabel 3-2: HASIL ANALISIS KIMIA LAPISAN CR2C3-NICR PADA TITIK A, B, C, D DAN E MENGGUNAKAN EDS Titik A B C D E C 2,4 7,48 15,56 14,04 1,65 0 -3 4 , 2 5 -36,42 -U n s u r (% Berat) Cr 95,1 24,8 8,39 2 4 , 4 8 43,3 Ni 2,36 3,86 -11,74 54,39 Ti -23,92 74,61 -Deskripsi Daerah abu2 Daerah gelap Daerah gelap Daerah gelap Daerah putih
Gambar 3-4: S t r u k t u r mikro lapisan Cr2C3-NiCr dengan meng-g u n a k a n SEM.
Hasil analisis mikro dengan EDS m e n u n j u k k a n b a h w a d a e r a h dengan w a r n a yang berbeda memiliki komposisi kimia yang berbeda, Tabel 3. Daerah A yang b e r w a r n a a b u a b u memiliki k a n -d u n g a n Cr y a n g tinggi s e r t a k a n -d u n g a n Ni dan karbon yang rendah. Kemungkinan b e s a r daerah ini m e r u p a k a n partikulat Cr2C3 yang telah kehilangan C akibat tersegregasi. P a d a d a e r a h E yang berwarna p u t i h d i t e m u k a n k a n d u n g a n Ni d a n Cr y a n g tinggi, sehingga diperkirakan b a h w a d a e r a h ini berasal dari leburan m a t r i k s NiCr. Analisis kimia, p a d a d a e r a h yang b e r w a r n a lebih gelap m e n u n j u k k a n k a n d u n g a n Ti yang tinggi. Terdeteksinya Ti dapat dipastikan berasal dari zat poles, yaitu Ti02, yang m a s u k ke dalam porositas. Pada daerah D d i t e m u k a n k a n d u n g a n oksigen yang c u k u p tinggi, yaitu 36,42 % sehingga diperkirakan b a h w a d a e r a h tersebut m e r u p a k a n l e b u r a n partikulat yang teroksidasi [Pawloski, 1995]. Hasil analisis kimia p a d a seluruh daerah menunjukkan
a d a n y a karbon, yang diperkirakan berasal dari karbon yang tersegregasi dari partikulat Cr2C3 [Rycroft, 1990].
3 . 4 Pengaruh Kekasaran Permukaan terhadap Kekuatan Lekat Lapisan
Gambar 3-5 memperlihatkan grafik pengaruh kekasaran permukaan terhadap k e k u a t a n lekat lapisan. Kekasaran per-m u k a a n 4,54 (j.per-m, yaitu p a d a s u b s t r a t yang tidak di-grit blasting, tidak memiliki nilai k e k u a t a n lekat k a r e n a lapisan lepas segera setelah proses HVOF. Hal ini diakibatkan oleh tidak adanya meka-nisme mechanical interlocking a n t a r a s u b s t r a t d a n lapisan. P a d a p e r m u k a a n yang di grit blasting, secara u m u m t a m p a k b a h w a k e k u a t a n lekat lapisan meningkat dengan meningkatnya keka-s a r a n p e r m u k a a n , yaitu dari 22 MPa pada kekasaran 4,54 pm hingga mencapai nilai optimum (44 MPa) p a d a kekasaran p e r m u k a a n dengan nilai 5,42 (J.m, yang diperoleh dengan melakukan grit blasting p a d a t e k a n a n 4 bar. Bila kekasaran terus ditingkatkan melewati nilai tersebut, a k a n terjadi p e n u r u n a n kekuatan lekat lapisan menjadi 30 MPa. Hal ini disebab-kan karena pada permukaan yang sangat kasar, cenderung terjadi incomplete
penetration [Wang, B. Q. & Shui, 2002],
di m a n a partikulat cair tidak dapat s e p e n u h n y a m a s u k ke dalam lembah-lembah p e r m u k a a n yang lebih dalam. Hal ini menyebabkan terbentuknya rongga mikro a n t a r a lapisan d a n s u b s t r a t yang potensial menjadi awal p e m b e n t u k a n retak p a d a saat p e m b e b a n a n . Akibatnya, kekuatan lekat lapisannya menjadi r e n d a h .
G a m b a r 3 - 5 : Grafik p e n g a r u h k e k a s a r a n p e r m u k a a n t e r h a d a p ke-k u a t a n lapisan
4 KESIMPULAN
Dari hasil penelitian di a t a s d a p a t disimpulkan b a h w a
• T a n p a proses persiapan p e r m u k a a n , lapisan Cr2C3-NiCr thermal spray tidak dapat melekat p a d a p e r m u k a a n s u b s t r a t .
• Semakin b e s a r t e k a n a n u d a r a p a d a proses persiapan p e r m u k a a n grit
blasting, semakin k a s a r p e r m u k a a n
s u b s t r a t yang diperoleh.
• Peningkatan t e k a n a n u d a r a dari 3 bar hingga 6 b a r meningkatkan kekasaran p e r m u k a a n dari 5,24 (im menjadi 5,74 (im.
• Kekuatan lekat lapisan a k a n semakin tinggi dengan semakin k a s a r n y a p e r m u k a a n hingga k e k a s a r a n 5,44 urn. Setelah itu, peningkatan kekasaran m a l a h m e n u r u n k a n k e k u a t a n lekat lapisan k a r e n a terjadinya incomplete
penetration.
• Mekanisme i k a t a n yang terjadi a n t a r a s u b s t r a t d a n lapisan didominasi oleh
mechanical interlocking, akibat
mengalir-nya partikulat cair m e m b u n g k u s k o n t u r p e r m u k a a n
• Struktur mikro lapisan yang terbentuk terdiri a t a s lamel-lamel yang saling b e r t u m p u k a n dengan komposisi bervariasi dari s a t u t e m p a t ke tempat lainnya, serta a d a n y a porositas yang
m e r u p a k a n salah satu ciri proses
thermal spray.
5 UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih k e p a d a PT. Tekno-kraftindo Asia yang telah mengerjakan proses HVOF thermal spray dan PT. N u s a n t a r a Turbin dan Propulsi u n t u k pengujian k e k u a t a n lekat.
DAFTAR RUJUKAN
ASM, 1992. ASM Handbook Volume 5:
Surface Engineering, , ASM Ohio.
B o n d a n T. Sofyan, Marizki Stefano, Haposan J. Pardede, Edi Sofyan, 2 0 0 3 . Studi Proses Persiapan
Per-mukaan HVOF Thermal Spray Dengan Serbuk WC Untuk Nosel Roket, Publikasi Rmiah Seminar Nasional Iptek Dirgantara VH, ISBN
979-8554-71-X, Serpong, 11 Desember 2 0 0 3 , p . 6 1 - 6 5 .
Bondan T. Sofyan, Haposan J. Pardede, Marizki Stefano, Edi Sofyan, 2 0 0 3 .
Modifikasi pengujian kekuatan lekat lapisan HVOF thermal spray dengan serbuk WC pada nosel roket, Prosiding Seminar Nasional Iptek Dirgantara VII, Serpong, 11 Desember
2 0 0 3 .
Bondan T. Sofyan, Marizki Stefano, Haposan J. Pardede, Edi Sofyan, 2004. Optimization of HVOF Thermal
Spray Coating for Rocket Nozzle Application, Proc. 7th Int. Conf. Quality
in Research 2004, ISSN 1411-1284,
Depok 4-5 August 2004, p.MM-00 4 .1 - 5.
Bondan T. Sofyan, Marizki Stefano, Haposan J. Pardede, Edi Sofyan, 2004. Pengaruh Kekasaran
Per-mukaan Terhadap Kekuatan Lekat dan Struktur Mikro Lapisan WC-Co Hasil HVOF Thermal Spray, accepted
by J u r n a l Teknologi.
Bondan T. Sofyan, Marizki Stefano, Haposan J. Pardede, Edi Sofyan, 2004. Characteristics of HVOF
Coating Used for Rocket Nozzle Application, accepted by Int. Conf.
Advanced Materials a n d Processing 3, Melbourne, 29 Nov - 1 Dec 2004.
U, C.J dan Li, W.Y, 2 0 0 2 . Effect of
Sprayed Powder Particle Size on The Oxidation Behaviour of MCrAlY Materials During High Velocity Oxigen-fuel Deposition, Surface Coatings Tech, Vol. 162, h a l 31 - 4 1 .
Pawloski, L, 1995. T h e Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, , J o h n Wiley a n d Sons, London.
Rycroft, M, ed., 1990. The Cambridge
Encyclopedia of Space, Cambridge
University Press.
Wang, B.Q d a n Shui, Z. R, 2 0 0 2 . The Hot
Erosion Behaviour of HVOF Chromium Carbide - Metal Cermet Coatings Sprayed With Different Powders, Wear, Vol. 253, hal 550-557.
