Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Yttria Stabilized Zirconia Sebagai Thermal Barrier Coating Material 1. Thermal Barrier Coating Turbin gas merupakan komponen yang beroperasi pada temperature tinggi. Komponen ini umumnya terbuat dari superalloy berbasis nikel karena nikel dapat digunakan hingga 0.8 temperatur meltingnya. Namun pada operasinya, terkadang terdapat daerah tertentu yang dapat mencapai temperature melebihi temperatur melting superalloy [1-2]. Tentu hal ini akan merugikan. Hal ini akan dapat dihindari dengan memberikan sistem pendingin internal maupun eksternal namun akan mengurangi efisiensi turbin gas, tentu hal ini sebisa mungkin dihindari [1]. Maka dikembangkanlah suatu material sebagai pelapis pada turbin gas yang akan berfungsi sebagai insulasi termal sehingga temperature turbin gas tidak mencapai temperatur limit operasinya bahkan temperature meltingnya yang akan menyebabkan komponen gagal. Material pelapis ini dikenal dengan nama thermal barrier coating (TBC). Material ini akan dilapiskan pada permukaan turbin gas dengan ketebalan dalam skala mikrometer untuk mencipatakan suatu gradien temmperatur bagian luar dan dalam TBC, dengan temperatur diatas TBC lebih tinggi dibandingkan didalam TBC. Selain menciptakan insulasi termal, material ini juga akan melindungi turbin gas dari hot corrosion, aus dan erosi [3]. Tentu material penyusun TBC harus material memiliki temperature melting tinggi, kestabilan termal, konduktivitas termal rendah, inert, thermal expansion match dengan substrat, dan adesif yang baik antara TBC dengan material yang dilapisinya. . TBC terdiri dari beberapa bagian. Pertama, substrat yang merupakan material yang akan dilapisi. Kedua adalah metallic bond coat, ketiga adalah thermally grown oxide (TGO), dan keempat adalah ceramic top coat. Dari bagian-bagian tersebut, TGO merupakan bagian yang muncul pada saat proses perlakuan panas ataupun saat in service. Bagian-bagian TBC dalam turbin gas ditampilkan pada Gambar 1. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 1 Bagian-bagian TBC Sebagai Pelapis Pada Turbin Gas [3] TBC dikembangkan berbasis material keramik. Secara umum keramik hadir dalam bentuk senyawa misalya oksida, sehingga dari segi termodinamika, energi bebas gibbsnya relatif rendah secara global bukan lokal (metastabil) sehingga akan dibutuhkan energi yang sangat tinggi untuk memisahkan ikatan anatara unsur penyususnnya. Salah satu pembuktian akan hal ini adalah temperature melting keramik yang pada umumnya sangat tinggi, melebihi logam. 1.1 Material Penyusun Thermal Barrier Coating: Yttria Stabilized Zirconia Pengembangan material keramik sebagai TBC dimulai pada tahun 1960-an oleh National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Sejumlah material keramik seperti ZrO2, Al2O3, TiO2, CaO, MgO+ZrO2, YSZ, CeO2+YSZ telah dikembangkan. Selain mempertimbangkan hal-hal yang telah disebutkan pada bagian (1), kestabilan fasa dalam temperatur ruang dan temperature tinggi material penyusun TBC perlu diperhatikan mengingat TBC juga akan terkena tegangan akibat faktor temperatur tinggi dan beban termal yang fluktuatif saat siklus operasi dan shutdown [4] Secara mendetail untuk kuantifikasi sifat mekanik dan sifat fisik dari material keramik sebagai TBC ditampilkan pada Tabel 1 [5]. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Tabel 1 Sifat Mekanik dan Fisik Material Keramik Sebagai Aplikasi TBC [3] Dari data pada Tabel 1, dapat dilihat bahwa Zirconia murni merupakan material dengan sifat mekanik dan sifat elektrik yang baik. Namun hal yang menjadi perhatian adalah zirconia murni merupakan material polimorf, artinya zirconia memiliki lebih dari satu struktur kristal. Saat terjadi transformasi fasa, tentu akan diikuti oleh sejumlah perubahan volume yang tentu akan berpengaruh terhadap sifat material tersebut. Pada zirconia, kondisi temperature ruang hungga 1100°C, struktur kristalnya adalah monoklinik. Pada 1100°C hingga kisaran 2370°C struktur kristalnya adalah tetragonal. Diketahui bahwa perubahan struktur kristal dari monoklinik menjadi tetragonal akan Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 menyebabkan sejumlah reduksi volume (4-5%) sehingga memungkinkan untuk munculnya crack [3]. Hal yang perlu dilakukan untuk mencegah mekanisme ini adalah memadu zirconia dengan suatu unsur atau senyawa sehingga struktur kristal monoklinik dapat dipertahankan pada kondisi operasi zirconia sehingga crack tidak akan terebntuk. Penambahan yttria kedalam zirconia diketahui dapat meyebabkan struktur kristal kubik menjadi lebih stabil, artinya struktur kristal kubik dapat dicapai pada temperature yang lebih rendah dari 2370°C. Pada 2370°C hingga 2690°C struktur kristalnya kubik. Selain itu penambahan yttria juga menciptakan satu vakansi oksigen. Hal ini dapat dibuktikan dengan membaca diagram fasa biner zirconia dan yttria pada Gambar 2. Gambar 2 Diagram Fasa Zirconia-Yttria [3] Dapat dilihat pada Gambar 2, bahwa pada Zirconia murni, pada rentang 1173°C hingga 2370°C struktur kristalnya 100% tetragonal. Namun dengan penambahan sejumlah yttria pada rentang temperature tersebut juga akan muncul struktur kristal kubik. Tentu fraksi kedua struktur kristal tersebut ditentukan oleh presentase paduan yttria dalam zirconia kemudian ditentukan fraksinya Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 menggunakan lever arm rule pada suatu temperature. Paduan ini kemudian dikenal dengan nama Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) dengan struktur kristal kubik dan tetragonal sehingga juga disebut tetragonal zirconia polycrystal. Struktur kristal zirconia, yttria dan YSZ ditamilkan pada Gambar 3. Gambar 3 Struktur Kristal Zirconia (Monoklinik), Yttria, dan YSZ [3] Mekanisme penyetabilan struktur kritsal kubik secara skematik diperlihatkan pada Gambar 3. Yttria akan masuk pada rongga zirconia sehingga stuktur kritsal kubik dapat dipertahankan dan tidak berubah menjadi tetragonal. Mekanisme ini dicapai dengan difusi. Pada umumnya prsentase yttria yang digunakan untuk menyetabilkan struktur kubik adalah 7-8wt%. Disisi lain, hal yang perlu diperhatikan adalah transformasi fasa dengan mengacu pada diagram kesetuimbangan fasa pada Gambar 2 hanya terjadi pada kondisi setimbang, artinya proses pendinginan terjadi sangat lambat. Tentu dalam proses produksi hal ini tidak diinginkan karena akan memakan waktu dan biaya yang besar. Proses pembuatan TBC akan dijelaskan secara terpisah pada sub bab berikutnya, namun secara garis besar proses produksi TBC berbasis YSZ akan terjadi jauh dari transformasi setimbang. Hal ini mengakibatkan pergeseran garis-garis pada diagram kesetimbangan fasa pada Gambar 2, menjadi diagram kesetimbangan fasa yang ditampilkan pada Gambar 4. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 4 Pergeseran Garis Solidus Pada Diagram Fasa Biner Zirconia-Yttria [6] Dapat dilihat bahwa pergeseran garis solidus ke arah kiri, artinya jika ingin tetap mempertahankan struktur kristal kubik tetap ada disamping tetragonal, maka komposisi yttria yang ditambahkan harus diturunkan. Namun yang menjadi masalah adalah hasil pengujian menunjukkan presentase yttria untuk membentuk YSZ terbaik adalah 7-8 wt% dalam hal insulasi termal. Sejauh ini belum terdapat alasan pasti mengapa angka 7-8wt% menjadikan insulasi termal YSZ menjadi terbaik dibandingkan komposisi paduan lainnya [6]. Penelitian dikembangkan untuk tetap mempertahankan komposisi yttria 7-8 wt% sehingga sifat insulasi termal YSZ dapat tetap dipertahankan dengan penambahan unsur penyetabil struktur kristal kubik seperti unsur logam tanah jarang [6]. Selain itu hal yang perlu diperhatikan adalah dapat terjadinya proses sintering atau densifikasi partikel YSZ pada temperature tinggi. Hal ini akan merugikan dikarenakan densifikasi akan meningkatkan konduktivitas termal material, tentu dalam aplikasi TBC tidak diinginkan. Namun hal ini tidak serta merta terjadi. Adanya perbedaan koefisien ekspansi termal antara TBC dan substrat terutama bond layer akan menciptakan kondisi tegangan dimana proses sintering akan terhambat. Hal ini dikenal dengan constrained sintering [6]. Namun bila temperature kerja mencapai temperatur untuk aktivasi sintering, sintering bisa terjadi secara spontan. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Hal-hal diatas memang dapat menjadi masalah dalam mengembangkan YSZ sebagai TBC. Namun secara umum, beberapa sifat YSZ adalah konduktivitas termalnya rendah (2.3 Wm-1K-1 pada 1000C). Hal ini disebabkan karena tingginya cacat titik cacat titik pada struktur ini berupa vakansi pada latis oksigen dan dan latis substitusi atom-atom lainnya. Koefisien ekpansi termal YSZ juga rendah yakni kisaran 11x10-6°C-1, pada umunya koefisien ekspansi termal superalloy 14x10-6°C-1. Hal ini tentu akan menguntungkan dari segi aplikasi YSZ sebagai TBC, karena koefisien ekspansi termal YSZ dan substrat tidak terlalu berbeda jauh sehingga hal ini akan mereduksi mismatch antara YSZ dan substrat sehingga ikatan antara substrat dan YSZ tetap baik pada temperatur operasi maupun pada temperatur ruang. Selain itu YSZ juga dikenal memiliki ketahanan hot corrosion yang tinggi pada lingkungan NA2SO4. 1.2 Struktur Mikro Yttria Stabilized Zirconia Sebagai Thermal Barrier Coating Secara umum, terdapat dua kategori YSZ sebagai TBC. Pertama YSZ yang dilapiskan pada substrat yang terlebih dahulu telah diberi metallic bond coat sebagai lapisan dasar ataupun tanpa metallic bond coat. Tentu penggunaan metallic bond coat lebih dianjurkan pada aplikasi TBC pada turbin untuk memfasilitasi ikatan yang lebih baik antara TBC dengan susbtrat. Disisi lain TBC tanpa metallic bond coat digunakan pada aplikasi seperti mesin diesel dengan temperature kerja lebih rendah dari turbin gas [6]. Secara skematik struktur mikro bagian-bagian TBC ditampilkan pada Gambar 5. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 5 Skematik Mikrostruktur Bagian-bagian TBC [7] Pada prinsipnya metallic bond coat berfungsi sebagai upaya preventif terhadap peristiwa oksidasi pada temperature tinggi dan memastikan ikatan TBC pada susbtrat baik. Hal ini didasarkan pada fakta bahwa pada temperature tinggi superalloy dapat membentuk kromium oksida dan nikel oksida sehingga mengurangi adesivitas lapisan dengan substrat. Selain itu secara termodinamika pembentukan oksida tersebut juga mengakibatkan ketidakstabilan ikatan YSZ dan substrat. Maka material yang mampu menganggulangi kedua hal tersebutlah yang mampu digunakan sebagai bond coat. Aluminium oxide dipilih sebagai bond coat yang paling banyak dikembangkan karena difusivitas oksigen pada temperature tingginya rendah, sehingga pembentukan oksida nikel dan krom akan terhambat. Selain itu kecocokan termodinamika aluminium oxide dan YSZ juga memfasilitasi ikatan yang baik antara kedua material ini [6]. Selain itu growth rate dari butir aluminium oxide rendah sehingga kemampuan mempertahankan sifat mekanik aluminium oxide pada temperature tinggi baik [6]. Hal yang patut diperhatikan pada Gambar 4 adalah munculnya TGO atau thermally grown oxide, suatu lapisan dibawah TBC. Lapisan ini muncul akibat mekanisme difusi yang terjadi pada temperatur dan waktu yang lama. Keberadaan lapisna ini dapat memicu munculnya kondisi tegangan yang berbeda dengan TBC dan substrat sehingga pada kondisi tertentu dapat menginisiasi crack dan mengakibatkan delaminasi TBC dengan substrat sehingga mekanisme Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 insulasi termal oleh TBC tidak dapat berjalan dengan baik atau bahkan hilang sama sekali jika TBC benar-benar terlepas dari substrat [8]. 2. Proses Produksi YSZ Sebagai TBC Proses produksi YSZ dilakukan dengan beberapa tahapam. Tahapan pertama adalah produksi serbuk yttria dan zirconia, kemudian dilanjutkan dengan produksi YSZ 2.1 Proses Produksi Serbuk Ytrria [9] Proses produksi serbuk yttria dapat dilakukan dengan beberapa cara. Pertama, digunakan larutan yttrium chloride hexahydrate (YCl3.6H2O) dengan konsentrasi 0.015 mol per liter dan dicampurkan dengan ammonium hydroxide dengan konsentrasi 0.0015 mol per liter. Kemudian larutan tersebut di mixing menggunakan stirrer bar. Hal ini dimaksudkan untuk menciptakan larutan dengan pH 10-10.5 dan dapat memunculkan presipitat. Kemudian presipitat tersebjt dipisahkan dari alrutan dan dicuci dengan deionized water dan dalam alcohol 96% untuk membersihkan dari ion klorida. Setelah itu serbuk kemudian dikalsinasi pada temperature 80°C selama beberapa jam. Setelah itu serbuk yttria dapat digunakan. Selain metode tersebut, terdapat pula metode lain. Larutan yttrium chloride hexahydrate 0.0015 mol dicampurkan dengan larutan yang berisi urea dengan konsentrasi 0.5 mol per liter. Setelah itu larutan dimixing menggunakan stirrer bar. Larutan kemudian dipanaskan huingga temperature 90°C dengan lahu pemanasan 40-50°C/jam. Larutan yang tadinya berwarna putih perlahan akan berubah warna memutih saat dipanaskan selama 2 jam. Setelah proses ini, akan terbentuk sejumlah presipitasi berupa serbuk. Setelah itu serbuk dipisahkan dan dicuci dengan deionized water dan juga alcohol 96%. Dengan perbedaan proses, tentu struktur yang dihasilkan akan berbeda. Pada proses pertama menggunakan ammonium hydroxide, serbuk yang terbentuk meiliki morfologi yang tidak beraturan sedangkan dengan proses kedua menggunakan urea diperoleh morfologi spherical dan dengan variasi ukuran yang kecil. Pada proses pertama, morfologi yang tidak beraturan disebabkan karena adanya proses presipitasi terjadi dalam kondisi yang inhomogen, terdapat gradien konsentrasi yang besar antara permukaan presipitat dengan larutan, sedangkan pada proses kedua, homogenitas tetap terjaga hingga skala molekuler. Mikrostruktur dari kedua serbuk ini dapat dilihat pada Gambar 6. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 6 Mikrostruktur Serbuk Yttria Dengan Perbedaan Proses Produksi : a) Menggunakan Pelarut ammonium hydroxide b) Menggunakan Pelarut Ammonia [9] 2.2 Proses Produksi Serbuk Zirconia [10] Proses produksi serbuk zirconia dapat dilakukan dengan menggunakan teknik sol gel. Proses dimulai dengan menggunakan larutan ZrCl4 dengan konsentrasi 1 M yang dilarutkan dalam aqua DM sebanyak 250 mL. Larutan kemudian diaduk dengan menggunakan magnetic bar selama kurang lebih 30 menit hingga membentuk larutan homogen. Setelah itu larutan disimpan dakam oven bertemperatur 150°C hingga semua pelarut menguap dan tersisa presipitasi serbuk. Setelah itu serbuk yang terbentuk kemudian dikalsinasi pada 900°C selama 2 jam pada atmosfer udara. Proses ini akan menghasilkan serbuk zirconia dengan struktur kristal 100% moniklinik. Apabila unsur lain ditambahkan dalam larutan ZrCl4 misalnya CaCl2 sebanyak 5% mol, struktur kristal yang terbentuk akan dalam kisaran 30% monoklinik dan 70% tetragonal. 2.3 Proses Produksi YSZ Terdapat beberapa proses produksi YSZ dalam aplikasinya sebagai thermal barrier coating, diantaranya adalah: 1. Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings Pada proses pelapisan ini, digunakan temperature tinggi untuk melelehkan material yang akan digunakan sebagai pelapis dalam suatu wadah kemudian material pelapis tersebut akan ditembakkan dengan kecepatan tinggi pada substrat sehingga terbentuk suatu ikatan antara pelapis dan substrat [11]. Material pelapis dapat disediakan dalam bentuk serbuk maupun kawat. Proses pembentukan plasma dilakukan oleh komponen plasma torch yang terdiri dari cone-shaped thoriated cathode dari tungsten, cylindrical anode dari tembaga. High frecuency discharge Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 diantara kedua elektroda ini yang akan mengakibatkan pembentukan plasma. Temperatur proses dapat mencapai 10.000-15.000°C. Skematik proses ini ditampilkan pada Gambar 7 [11]. Gambar 7 Skematik Proses Thermal Spraying [11] Penelitian menunjukkan bahwa dengan merekayasa struktur YSZ hingga skala nano dapat meningkatkan kapasitas insulasi termal YSZ dan lifetimenya [7]. Penelitian tersebut dilakukan dengan menggunakan serbuk ZrO2 dan Y2O3 dalam skala nano, dalam rentang 15-150 µm. Penelitian tersebut menggunakan presentase berat yttria 7-8 wt%, komposisi yang umumnya digunakan untuk menyetabilkan struktur kristal kubik pada YSZ ditemperatur tinggi [6]. Dalam penelitian tersebut digunakan NiCoCrAlY sebagai bondcoat antara substrat dengan lapisan. Dikarenakan temperatur operasi plasma spraying dapat mencapai 10.000-15.000°C maka jarak antara plasma torch dan substrat diatur agar temperatur plasma yang telah mencapai permukaan susbtrat harus memiliki temepratur yang jauh lebih rendah dari pada plasma torch dan tentu dibawah temperature melting substrat. Pada penelitian ini digunakan jarak konstan 1.2 meter. Hasil plasma spraying dengan menggunakan serbuk nano menghasilkan struktur yang berpori, dimana struktur ini merupakan aglomerasi partikel berukuran mikron yang berasal dari partikel berukuran nano yang ditembakkan plasma torch. Struktur mikro nanostructure YSZ ditampilkan pada Gambar 8. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 8. Struktur mikro YSZ Berbasis Nanopowder [6] Struktur berpori ini dapat terbentuk karena serbuk berukuran nano tersebut mengalami mekanisme yang berbeda dalam proses plasma spraying. Pemanasan serbuk dalam proses ini tentu akan dimulai dari permukaan serbuk baru ke bagian dalamnya, sehingga akan menimbulkan gradien temperature dalam arah radial pada serbuk. Serbuk nano yang berukuran kecil akan lebih cepat mencair secara sempurna, kemudian saat ditembakkan dari alat akan kembali mengalami solidifikasi saat menumbuk permukaan substrat dan membentuk struktur yang columnar. Sedangkan pada serbuk yang berukuran relatif besar, pelelehan tidak terjadi secara sempurna, hanya parsial. Hal ini mengakibatkan serbuk dapat mempertahankan morfologinya berupa bola dan saat ditembakkan dan terdeposisi pada substrat tidak akan membentuk struktur columnar namun bimodal. Hal ini mengakibatkan penggunanan nanopowder YSZ akan menghasilkan struktur yang berpori. Skematik proses ini dapat dilihat pada Gambar 9. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 9 Skematik Pembentukan TBC Menggunakan YSZ Berbasis Serbuk Berukuran Nano Pada Proses Plasma Spraying [6] Hasil pengujian juga mensupport bahwa penggunaan serbuk berukuran nano sebagai TBC lebih menguntungkan. Bonding strength nanopowder YSZ bernilai 42.05 MPa sedangkan YSZ konvensional hanya 23.65 MPa [6]. Hal ini disebabkan karena struktur bimodal yang memiliki morfologi yang sama pada segala arah cenderung tidak menimbulkan konsentrasi tegangan, sedangkan strutkur columnar memang akan sangat kuat pada arah longitudinal dari columnar namun akan sangat lemah pada arah transversalnya. Pada sisi yang lemag tersebut, crack dengan mudah tumbuh dan merambat sehingga kekuatan ikatan akan menjadi lemah. Selain itu, insulasi termal dari TBC dengan serbuk nano menghasilkan insulasi yang lebih baik, Pada YSZ konvensional, insulasi termal disebabkan karena substistusi latis zirconia dengan yttria dan vakansi oksigen akan meyebakan phonon scattering. Pada YSZ berbasis serbuk nano, mekanisme tersebut tetap terjaid namun dengan adanya porositas, maka phonon scattering juga akan meningkat sehingga insulasi termal YSZ berbasis serbuk nano pun semakin meningkat [6]. 2. Electron Beam Physical Vapor Deposited Dalam proses pelapisan ini, material pelapis akan dibuat menjadi gas kemudian akan dideposisikan dari satu orientasi pada substrat [10]. Proses ini lebih menarik ketimbang thermal spraying dalam pembentukan TBC dikarenakan dapat membentuk struktur columnar yang meminimalisir strain, tidak seperti proses thermal spraying dimana deposisi lapisan dapat menimbulkan residual stress yang akan berbahaya bila menerima beban tarik karena dapat memicu kemunculan dan propagasi Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 retakan [11]. Dlaam proses ini, tidak diberikan suatu beda potensial antara substrat dan wadah. Untuk menjaga proses pelapisan terjaid secara bauk tanpa pengaruh pengotor, pelapisan dilakukan dalam kondisi atmosfer terkontrol misalnya menggunakan helium atau argon karena sifatnya inert. Skematik proses ditampilkan pada Gambar 10 [12]. Gambar 10 Skematik Proses PVD [12] Disisi lain, dikarenakan proses pelapisan ini hanya menggunakan satu orientasi dari mesin, hal ini akan mengakibatkan perbedaan ketebalan lapisan bila substrat memiliki bentuk yang kompleks. Sehingga proses ini tidak terlalu bagus untuk profil benda yang kompleks. Selain itu peralatan PVD juga sangat mahal dan terbatas pada komponen yang berukuran kecil, sehingga proses ini tidak terlalu popular untuk produksi TBC sebagai aplikasi pada turbin pesawat. 3.Pengujian TBC Terdapat beberapa pengujian untuk mengevaluasi kualiats dari thermal barrier coating, diantaranya: 1. FCT Test Pengujian ini digunakan untuk mengevaluasi kekuatan ikatan lapisan dengan substrat pada temperature tinggi. Selama pengujian berlangsung, temperature dijaga pada satu nilai konstan dan dilakukan pengujain yang sama pada beberapa nilai temperature. Eksposure umumnya dilakukan pada rentang waktu yang lama untuk mensimulasikan kondisi kerja sebenarnya TBC pada dunia nyata. Pada proses ini sampel akan dimasukkan dalam suatu tube berukuran 15-20 cm. Ukuran sampel umumnya 15x15x15 cm. Skematik alat proses ini ditampilkan pada Gambar 11 [5]. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 11 Tube Pada FCT Test [5] Proses ini juga digunakan untuk melihat pengaruh TGO terhadap kualitas ikatan antara substrat dengan lapisan, kestabilan fasa pada temperature tinggi dan waktu yang lama. Mengetahui mikrostruktur pada rentang waktu dan temperature tertentu juga dapat digunakan sebagai estimasi atau perkiraan sisa umur komponen 2. Thermal Fatigue Pengujian ini digunakan untuk melihat kualitas sambungan substrat dengan lapisan yang ditinjau dari ada atau tidaknya delaminasi [12]. Pengujian ini perlu dilakukan karena kualiats sambungan tidak hanya diturunkan oleh hadirnya TGO namun juga beban dinamik. Kondisi pembebanan tertentu dapat mengakibatkan munculnya mismatch berlebih antara substrat dan lapisan sehingga ikatan terlepas dan TBC tidak berfungsi sebagai insulasi lagi. Pengujian ini penting dilakukan menhinat proses produksi TBC memungkinkan munculnya sejumlah microcrack yang masih terisolasi dan beberapa microcrack dapat menyatu dan berpropagasi seiring dengan berjalannya waktu saat pemakaian komponen [15]. Mekanisme pengujian dilakukan dengan cara memberikan rapid heating pada sampel kemudian spesimen ditahan pada temperature maksimum dalam waktu yang singkat dan didinginkan secara cepat. Spesimen yang digunakan berbentuk silinder dengan diameter 25 mm dan tebal 3.2 mm yang dilapisi TBC 1.27 mm. Contoh siklus pemanasan dan proses pemanasan sampel pada pengujian thermal fatigue ditampilkan pada Gambar 12. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 12 Siklus Pengujian Thermal Fatigue (kiri) dan Proses Pemanasan Sampel Pada Pengujian Thermal Fatigue (kanan) [15] Dapat dilihat pada Gambar 12 kiri bahwa pengujian dilakukan dengan memanasakan sampel hingga temperature 2550°F selama 20 detik kemudian sampel didinginkan dengan air blast selama 20 detik hingga 1440°F kemudian dibiarkan mendingin secara konveksi natural selama 20 detik. Pengujian ini dilakukan terus menerus secara berulang hingga munculnya sejumlah retakan atau crack pada TBC dan substrat. Salah satu pengujian menunjukkan terjadinya crack setelah 2000 kali pengulangan. TBC dikatakan bagus bila dengan penggunaan tebal 1.27 mm dan setelah melewati 2000 siklus thermal fatigue presentase crack dalam arah melingkar tidak melebihi 15% [13]. 3. Mechanical fatigue Under Isothermal Conditions Pengujian ini sebenarnya adalah gabungan antara penguiian thermal fatigue dan FCT test. Hal ini digunakan untuk mengevaluasi kualiats lapisan dengan mempertimbangkan faktor yang lebih banyak. Hal ini tentu perlu dilakukan mengingat ada kemungkinan kombinasi TGO dan mismatch lapisan dengan substrat yang akan memengaruhi kualitas sambungan. Pada pengujian inin juga dilakuiikan dengan sampel berbentuk rod dan temeratur uji 950C [14]. 4. Heat Insulation Testing Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan insulasi termal oleh TBC pada temepratur tinggi. Beberapa metode pengujian insulasi termal dilakukan, dan ditampilkan pada Tabel 2. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Tabel 2 Pengujian Insulasi Termal Untuk TBC [16] Metode 1 menggunakan proses pemanasan dengan kondisi sampel berada pada ruang terbuka. Sehingga saat sampel pada sisi TBC dipanaskan, maka pada sisi lainnya pun akan mendingin secara konveksi natural hingga annti diperoleh kesetimbangan termal [16]. Saat kesetimbangan termal tercapai maka gradien temperature tidak dapat lagi diukur. Metode tes ini palimg sederhana tetapi untuk analisis mendalam sangat tidak dianjurkan [16]. Pada metode pengujian kedua, prinsipnya sama dengan metode pertama namun penyaluran panas lebih efektif karena menggunakan flame stream yang kontak dengan sampel secara langsung sehingga sampel akan lebih terekspos pada temperature yang lebih tinggi dan gradien temperature dapat diukur lebih mudah dan lebih akurat, tentu karena untuk mencapai kesetimbangan termalnya dibutuhkan waktu yang lebih lama. Bahkan pengujian ini juga dapat menciptakan kondisi sesungguhnya TBc, dimana oksidasi sampel terjadi, dengan kata lain TGO dapat tumbuh. Pada metode 3 dan 4, perbedaan mendasarnya adalah sampel diletakkan dalam ruangan yang semi-open cooling sehingga laju Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 perpindahan panas secara konveksi lebih dapat diatur. Namun karena penggunaan semi-open cooling tentu laju perpindahan panas ini akan dibatasi oleh kapapsitas furnace yang digunakan [16]. Sehingga kondisi aktual sampel tidak tercapai. Misalnya jika furnace hanya dapat beroperasi hingga 900°C maka kondisi aktual TBC yang dapat mencapai 1500°C tidak dapat digambarkan secara akurat. 4. Mekanisme Kegagalan YSZ Sebagai TBC Hal yang perlu diwaspadai dalam TBC adalah akibat adanya oksidasi pada bond coat layer yang disebut thermally grown oxide (TGO) [6]. TGO yang berada diantara YSZ dan substrat dengan ketangguhan retak yang rendah tentu akan memengaruhi kualitas ikatan YSZ dan susbtrat. Saat TGO rusak, tentu mekanisme insulasi termal dari YSZ tidak akan berfungsi dan substrat dapat gagal. Oksida utama yang berperan dalam kegagaalan YSZ adalah aluminium oxide. Secara termodinamika, oksida ini tidak baik digunakan sebagai lapisan protektif pada temperature tinggi karena dapat mempercepat laju oksidasi karena difusivitas oksigen pada aluminium tinggi. Salah satu modus kegagalan yang kerap muncul pada TBC adalah buckling failure. Fenomena buckling hadir akibat ketidakstabilan beban tekan pada suatu daerah. Hal ini umum terjadi saat perbandingan tinggi dan diameter atau tebal suatu komponen sangat tinggi. Dalam hal ini TBC dilapiskan secara kontinu pada substrat dan hanya dengan ketebalan beberapa ratus mikron saja. Tentu bila mengalami beban tekan dapat memicu munculnya buckling. Buckling pada TBC dipicu pada saat pendinginan komponen dari temperature tinggi. Dikarenakan perbedaan koefisien ekspansi termal antara substrat dan YSZ maka hal inilah yang memicu munculnya beban tekan pada YSZ dan buckling terjadi. Hal ini dapat muncul di beberapa tempat dan saat terjadi pertemuan antara buckling maka spallation atau pemisahan substrat dan lapisan TBC dapat terbentuk Perlu dicacat bahwa ukuran dari cacat ini ditentukan oleh ketebalan YSZ [6]. Secara skematik, proses ini dan struktur mikronya ditampilkan pada Gambar 13. Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Gambar 13 Fenomena Buckling Pada TBC , Skematik ( kiri dan tengah), mikrostrukur (kanan) [6] Propagasi buckling tentu akan diawali oleh nukleasi crack pada interface susbtrat-TGO-TBC, namun studi sejauh ini masih belum mencapai kesimpulan akhir mengenai alasan kemunculan crack initiation [6]. Namun hal penting yang dapat dilihat pada Gambar 12 adalah TGO merupakan suatu lapisan yang sangat rentan dan memicu kegagalan pada TBC. DAFTAR PUSTAKA 1. Vonk, V., Khorshidi, N., Stierle, A., & Dosch, H. (2013). Atomic structure and composition of the yttria-stabilized zirconia (111) surface. Surface Science, 612, 69– 76. https://doi.org/10.1016/j.susc.2013.02.014 2. Schulz, U., Leyens, C., Fritscher, K., Peters, M., Saruhan-Brings, B., Lavigne, O., Dorvaux, J. M., Poulain, M., Mévrel, R., & Caliez, M. (2003). Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings. Aerospace Science and Technology, 7(1), 73–80. https://doi.org/10.1016/S1270-9638(02)00003-2 3. Pacheco-Fernández, I., Gutiérrez-Serpa, A., Afonso, A. M., & Pino, V. (2017). Metallic coatings in solid-phase microextraction: Environmental applications. In Advanced Ceramic and Metallic Coating and Thin Film Materials for Energy and Environmental Applications. https://doi.org/10.1007/978-3-319-59906-9_7 4. Cao, X. Q., Vassen, R., & Stoever, D. (2004). Ceramic materials for thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society, 24(1), 1–10. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(03)00129-8 5. Bolcavage, A., Feuerstein, A., Foster, J., & Moore, P. (2004). Thermal shock testing of thermal barrier coating/bondcoat systems. Journal of Materials Engineering and Performance, 13(4), 389–397. https://doi.org/10.1361/10599490419883 6. Clarke, D. R., & Levi, C. G. (2003). Materials design for the next generation thermal barrier coatings. Annual Review of Materials Research, 33(August 2003), 383–417. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.33.011403.113718 7. Jamali, H., Mozafarinia, R., Shoja Razavi, R., Ahmadi-Pidani, R., & Reza LoghmanEstarki, M. (2012). Fabrication and Evaluation of Plasma-Sprayed Nanostructured and Daniel/23720009- Saya mahasiswa yang sedang belajar tentang advanced ceramics UAS MT6003 Rekayasa Material Keramik Selasa, 15 Desember 2020 Conventional YSZ Thermal Barrier Coatings. Current Nanoscience, 8(3), 402–409. https://doi.org/10.2174/157341312800620250 8. Osorio, J. D., Hernández-Ortiz, J. P., & Toro, A. (2014). Microstructure characterization of thermal barrier coating systems after controlled exposure to a high temperature. Ceramics International, 40(3), 4663–4671. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.09.007 9. Djuričić, B., Kolar, D., & Memić, M. (1992). Synthesis and properties of Y2O3 powder obtained by different methods. Journal of the European Ceramic Society, 9(1), 75–82. https://doi.org/10.1016/0955-2219(92)90080-W 10. ATW, Lia & Wirawan, Riza (2020). Panduan Praktikum Kimia Padatan Material. Teknik Material. Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara. Institut Teknologi Bandung. 11. Wang, M. (2009). Composite coatings for implants and tissue engineering scaffolds. In Biomedical Composites. Woodhead Publishing Limited. https://doi.org/10.1533/9781845697372.2.127 12. Asep rRidwan Setiawan (2017). Slide Perkuliahan Sifat dan Perlakukan Permukaan. Teknik Material. Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara. Institut Teknologi Bandung 13. Xu, H., Guo, H., & Gong, S. (2008). Thermal barrier coatings. Developments in HighTemperature Corrosion and Protection of Materials, 476–491. https://doi.org/10.1533/9781845694258.2.476 14. Bartsch, M., Baufeld, B., Dalkiliç, S., & Mircea, I. (2005). Testing and characterization of ceramic thermal barrier coatings. Materials Science Forum, 492–493, 3–8. https://doi.org/10.4028/0-87849-970-9.3 15. Chateauminois, A. (2000). ASM Handbook: Surface Engineering (Vol 5). Tribology International, 33(1), 67. https://doi.org/10.1016/s0301-679x(00)00006-2 16. Chen, D., Chu, Z. M., & Zhang, Q. (2013). Analysis of several test methods about heat insulation capabilities of ceramic thermal barrier coatings. Physics Procedia, 50(October 2012), 248–252. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2013.11.039