TBC (thermal barier coating)

Penelitian dan pengembangan pada mesin produksi energi seperti haInya turbin gas terus dilakukan dalam upaya meningkatkan efisiensi termalnya. Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi turbin gas dengan cara meningkatkan tempetatur gas masuk yang digunakan sebagai media penggerak sudu-sudu turbin dan mengurangi penggunaan udara pendingin. Dengan adanya peningkatan efisiensi termal berarti dapat mengurangi konsumsi bahan bakar dan juga dapat mengurangi emisi gas ke lingkungan (green-house effect). Peningkatan temperatur kerja turbin gas harus diiringi dengan perbaikan struktur material yang digunakan pada mesin turbin tersebut.

Tidak hanya tahan terhadap pembebanan mekanik tetapi juga terhadap erosi, korosi dan oksidasi temperatur tinggi (<1100⁰C) , sehingga dapat memperpanjang umur pemakaian dan mengurangi biaya operasional , turbin gas. Perbaikan ini dapat dilakukan dengan cara melindungi atau melapisi substrat dengan suatu barier yang dikenal dengan sistem TBC. Sistem ini telah diaplikasikan untuk melindungi substrat berupa paduan Iogam berbasis nikel Ni dan kobalt Co pada aplikasi komponen mesin turbin gas.

Hingga saat ini, ada dua jenis teknologi komersial yang digunakan untuk mendeposisikan sistem TBC pada substmt, yaitu air plasma spray coating (APS) dan electron beam physical vapor deposition (EBPVD). Namun demilkian, kedua tcknologi ini masih terbilang mahal untuk diaplikasikan di Indonesia.

Sistem TBC, yang digunakan untuk melapisi dan melindungi komponen mesin turbin gas terdiri atas 4 lapisan, yaitu: (i). substrat, berupa paduan logam berbasis Nikel Ni dan kobalt Co, (ii). bondcoat, Lapisan tahan oksidasi yang berupa MCrAlY (M = Ni, Co atau Fe) atau aluminide (NiAl atau Ni2Al3) ( 100 mikrometer), lapisan ini berfungsi sebagai pelindung substrat dari oksidasi dan korosi temperatur tinggi serta meminimumkan perbedaan koefisien termal ekspansi (CTE) antara substrat dan lapisan topcoat, (iii). TGO, berupa Al2O3 atau Cr2O3 (1-10 mikrometer) yang terbentuk dari hasil oksidasi bondcoat dan bersifat protektif serta berfungsi sebagai perekat antara bontlcoat-topcoat, dan (iv). keramik topcoat, berupa 7 wt% Y2O3-stabilized Zr02 (100-400 m) yang mempunyai titik leleh tinggi, konduktivitas termal rendah, koefisien termaI ekspansi yang linear, serta tahan terhadap korosi, erosi dan oksidasi. Dengan dikembangkannya sistem ini, dapat mengurangi perbedaan temperatur antara permukaan dan substrat hingga l00-300°C, sehingga dapat memperpanjang umur komponen dan meningkatkan performa turbin gas. Sistem TBC modem terus dikembangkan tidak hanya berkaitan dengan kekuatan mekanik atau resistan terhadap stress condition dan proses transfer panasnya tetapi juga perlindungan terhadap komponen mesin dari oksidasi dan korosi temperatur tinggi untuk menghindari kegagalan dini (spallation) selama siklus operasi. Beberapa hal penting yang perlu diperhatikan daIam pengembangan sistem TBC, diantaranya adalah: pertama, lapisan TBC secara termal harus memiliki konduktivitas panas yang rendah. Hal ini diperlukan untuk memaksimaJkan thermal drop sepanjang lapisan. Disamping itu, lapisan ini juga harus memiliki koefisien thermal ekpansi yang berbeda dengan substrat yang dapat menjembatani perbedaan koefisien termal antara substrat dan TBC. Kedua, lapisan yang tahan terhadap oksidasi dan korosi

pada temperatur tinggi diperlukan untuk melindungi komponen turbin dari degradasi lingkungan. Lapisan ini harus tahan terhadap perubahan tegangan (stress), stabil selama pengoperasian (phase stability dan pore morphology stability) dan memiliki perekatan yang baik terbadap substrat untuk menghindari kegagalan dini pada sistem TBC. Oleh karena itu, sangatlah penting untuk menjaga kestabilan lapisan bandcoat (MCrAlY atau aluminide). Hal ini bergantung pada kandungan AI sebagai cadangan untuk pembentukan lapisan protektif alumina. Kandungan AI dalam lapisan bondcoat akan berkurang seiring dengan pembentukan kembali lapisan alumina karena terkelupas (spallation) dan juga difusi-interdifusi AI ke dalam substrat yang dapat mengakibatkan turunnya sifat mekanik aloy substrat. Untuk mengatasi hal ini, berbagai usaha dilakukan diantaranya dengan menambahan unsur penguat batas butiran yang berfungsi untuk meningkatkan kekuatan dan ketahanan sistem TBC terbadap erosi, korosi, oksidasi dan keretakan (crack propagation) serta menyisipkan peperintang

difusi (diffusion barrier) seperti: TiN, AlN, AION, ZrO2,Al2O3, Re, W dan lainnya