Material yang umum dipakai untuk gas turbin blade adalah: nickel-base superalloys atau Cobalt based super alloy. Material tsb tahan pada temperatur tinggi diatas 1000 degree celcius (bahkan hingga 1450 deg C).
Catatan: mengenai diagram fasa Fe-Fe3C hanya bisa dipakai untuk menentukan fasa-fasa baja atau besi tuang dalam keadaan setimbang. Sedang material Nickel atau cobalt based harus menggunakan diagram fasa tersendiri dari Ni dan Co based alloy. Nama paduannya dari Nickel based misalnya Inconel (IN-738) terdiri dari unsur 61.5 % Ni, 16% Cr, 8.5% Co, 1.8% Mo, 3.4% Al, 3.4% Ti, 2.6% W, 2% Nb, sisanya C, B dan Zr. Sedangkan Cobalt based misalnya stellite, Haynes dll. Proses pembuatan gas turbin blade adalah dengan proses vacuum melting denga metoda directionally solidified (DS) and single crystal (SX).

Tanya – yeri.kurniawan@sulzer

Rekan-rekan Migas,

Berikut saya attached gambar Turbine Bucket Fr. 6. Adakah rekan-rekan tahu/pernah ikut kursus atau melihat langsung ke pabriknya di sana, cara pembuatan Turbine Bucket stage #1. Gambar berikut adalah gambar Turbine Bucket stage #1.
Bucket ini menarik sekali, karena selain mempunyai kemapuan menahan temperatur sampai 1500-an Cel. Juga mempunyai kemampuan menahan gaya cetrifugal yang tidak kecil (speed 5000 Rpm, radius 550 dan berat 2.6 kg). Menurut diagram Fase Fe-Fe3C, pada temperatur tersebut material yang bernama baja akan berfase cair. Ketangguhan material yang begitu tinggi ini setelah saya amati ada pada sistem pendinginan dan coating material yang menyelimuti air foil blade.

Pertanyaan saya adalah:

1. Apa nama dan susunan unsur kimia dari material yang dipakai?

2. Sifat-sifat fisik material seperti apa yang dibutuhkan oleh bucket untuk bertahan pada temperatur tersebut?

2. Bagaimana cara membuat cooling holes

3. Bagaimana caranya menempelkan si coating material pada permukaan bcuket? Preparation apa yang diperlukan, prosesnya seperti apa?

Tanggapan 1 – winarto@eng.ui

Dear Yeri Kurniawan,

Saya ingin sedikit memberi masukan mengenai material untuk Gas Turbin Blade Fr. 6 (frame 6).

Pertanyaan 1. Apa nama dan susunan unsur kimia dari material yang dipakai?

Jawab:

Material yang umum dipakai untuk gas turbin blade adalah: nickel-base superalloys atau Cobalt based super alloy. Material tsb tahan pada temperatur tinggi diatas 1000 degree celcius (bahkan hingga 1450 deg C).

Catatan: mengenai diagram fasa Fe-Fe3C hanya bisa dipakai untuk menentukan fasa-fasa baja atau besi tuang dalam keadaan setimbang. Sedang material Nickel atau cobalt based harus menggunakan diagram fasa tersendiri dari Ni dan Co based alloy. Nama paduannya dari Nickel based misalnya Inconel (IN-738) terdiri dari unsur 61.5 % Ni, 16% Cr, 8.5% Co, 1.8% Mo, 3.4% Al, 3.4% Ti, 2.6% W, 2% Nb, sisanya C, B dan Zr. Sedangkan Cobalt based misalnya stellite, Haynes dll. Proses pembuatan gas turbin blade adalah dengan proses vacuum melting denga metoda directionally solidified (DS) and single crystal
(SX).

Pertanyaan 2. Sifat-sifat fisik material seperti apa yang dibutuhkan oleh bucket untuk bertahan pada temperatur tersebut?

Jawab:

1. Tahan temperatur tinggi (creep resistance)

2. Tahan fatik (fatigue resistance) baik LCF atau HCF

3. Ketangguhannya tinggi (high toughness)

4. Tahan terhadap oksidasi (High Temp Corrosion)

5. Tahan aus (Wear Resistance)

Pertanyaan 3. Bagaimana cara membuat cooling holes

Jawab:

Cooling Hole biasanya dibuat bersamaan pada saat proses penuangan (pouring of cast material) kedalam mold (cetakan) dengan membuat core (inti cetakan). Core ini nantinya sebagai cooling hole-nya.

Pertanyaan 4. Bagaimana caranya menempelkan si coating material pada permukaan bucket? Preparation apa yang diperlukan, prosesnya seperti apa?

Jawab: Coating umumnya bertujuan untuk meningkatkan ketahanan material terhadap oksidasi dan thermal barrier. Coating yang dipakai biasanya ada dua lapis (layer) coating yaitu a sprayed-on aluminum-based layer, agar bersifat konduktif dan dilanjutkan dengan ceramic-based top layer yang berfungsi sebagai thermal barrier (penghalang). Adapun jenis bond coat adalah NiCrAlY sedang top coat adalah Yttria-stabilized Zirconia. Prosesnya dengan menggunakan proses sbb:Plasma spray, CVD, EBVDP. Preparasinya umumnya telah ada di SOP-nya pada setiap proses tsb.

Demikian semoga jawaban tsb diatas bermanfaat dan bila kurang jelas mungkin rekan milis migas lain-nya bisa menambahkannya.

http://www.metal.ui.ac.id/cmpfa/introduction.html

Tanggapan 2 – yeri.kurniawan@sulzer

Pak Winarto,

Terima kasih banyak atas responnnya,

Pak Winarto dan rekan-rekan milis yang lain,

Keingintahuan saya masih begitu besar,…boleh saya lanjutkan pertanyaanya?

Bagaimana metode directionally solidified itu bekerja dan apakah hubungannnya dengan single crystal?
Mengapa sebuah blade mesti Single Crystal? apa istimewanya sifat single cristal tersebut? bagaimana caranya mengecek keberadaan single crystal tersebut dalam sebuah blade? Apakah manufacturer blade (kira-kira) melakukan full inspection atau memakai metode sampling?
Apakah single crystal artinya sama dengan only single grain present on the entire surface of the blade?

Apakah welding operation yang dilakukan dalam rangka memperbaiki blades dapat menyebabkan perubahan struktur single crystal?
Kalau ya, berarti setelah welding operation perlu dilakukan heat treatment khusus untuk mengembalikan struktur menjadi single crystal? Metode seperti apakah itu?

Tanggapan 3 – winarto@eng.ui

Dear Kurniawan,

Saya appreciate sekali dengan ‘keinginan tahu yang mendalam’ (curiosity) dari saudara mengenai Material Gas Turbin Blade ini.

Sebenarnya saya yang bertugas di Departemen Metalurgi FTUI ini, memberikan knowledge pada rekan-rekan di milis Migas kebanyakan dari literatur, video visual yang kami miliki dan beberapa dari tugas mahasiswa kami.

Pertanyaan 1. Bagaimana metode directionally solidified itu bekerja?

Jawabnya: (literature saya ambil dari buku : Kalpakjian & Schmid,
‘Manufacturing Engineering & Technology’ 4th Edition, Prentice Hall, 2001, page. 290&291.)

Maaf saya langsung copy-pasta keterangan dari halaman tsb untuk mempersingkat waktu sbb:

CASTING TECHNIQUES FOR SINGLE CRYSTAL COMPONENTS

The techniques is used to cast single-crystal components such as gas turbine blades, which are generally made of nickel-based superalloys:

a. Conventional casting of turbine blades. The conventional casting process uses a ceramic mold. The molten metal is poured into the mold and begins to solidify at the ceramic walls. The grain structure developed is polycrystalline. The presence of grain boundaries makes this structure susceptible to creep and cracking along the boundaries under the centrifugal forces and elevated temperatures commonly encountered in an operating gas turbine.

b. Directionally solidified blades. In the directional solid on process, first developed in 1960, the ceramic mold is preheated by radiant heating. The mold is supported by a water-cooled chill plate. After the metal is poured into the mold, the assembly is slowly lowered. Crystals begin to grow at the chill-plate surface and up ward, like the columnar grains. The blade is thus directionally solidified, with longitudinal but no transverse grain boundaries. Consequently, the blade is stronger in the direction of centrifugal forces developed in the gas turbine.

c. Single-crystal blades. In crystal growing, developed in 1967, the mold has a constriction in the shape of a corkscrew or helix, the cross-section of which is so small that it allows only one crystal to fit through. The mechanism of crystal growth is such that only the most favorably oriented crystals are able to grow through the helix because all others are intercepted by the walls of the helical passage. As the assembly is lowered slowly, a single crystal grows upward through the constriction and begins to grow in the mold. Strict control of the rate of movement is necessary. The solidified mass in the mold is a single-crystal blade. Although these blades are more expensive than other types, the lack of grain boundaries makes them resistant to creep and thermal shock, so they have a longer and more reliable service life.

(Maaf gambar dari proses diatas tidak bisa saya lampirkan).

Pertanyaan 2. Mengapa sebuah blade mesti Single Crystal?

Jawabnya: mungkin dari pertanyaan ditas sebagian kecil telah terjawab. Untuk lebih jelasnya saya terangkan sbb:

Mengingat blade ini dipakai pada temperature tinggi, single crystal lebih baik dibandingkan dengan poly-crystal karena batas butir (grain boundary) dari single crystal lebih sedikit dibandingkan poly-crystaline. Pada temperature tinggi umumnya atom-atom tervibrasi sangat tinggi sehingga proses difusi (perpindahan) atom lebih dominan. Mengingat batas butir adalah merupakan cacat kristal (defect) atau tempat yang paling lemah (energynya paling rendah) dalam struktur crystal, akibatnya di tempat tsb mudah terjadi slip (pergeseran) antar crystal bila terkena deformasi. Dengan makin sedikitnya batas butir, material single crystal akan lebih tahan/kuat dalam menahan deformasi pada temperatur tinggi. Sehingga rumus Hall Petch yang menyatakan ‘makin halus butir akan lebih kuat’ tidak berlaku pada material di temperature yang tinggi (elevated temperature).

Itulah keistimewaan ‘Single-Crystal’, selain itu single crystal juga banyak diaplikasikan pada pembuatan peralatan elektronik semikonduktor seperti Silicon Single Crystal yang dibuat dengan metoda Czochralski.

Pertanyaan 3. Bagaimana caranya mengecek keberadaan single crystal tersebut dalam sebuah blade? Apakah manufacturer blade (kira-kira) melakukan full inspection atau memakai metode sampling?

Jawab

Untuk mengecek apakah single crystal atau tidak biasanya dipakai peralatan modern seperti salah satunya adalah TEM (Transmission Electron Microscope) dimana dari pengujian tersebut akan diperoleh material dengan crystal tunggal yang memiliki orientasi yang sama misalnya <001>. Dan ada beberapa peralatan modern lainnya. Mengenai metodanya saya belum bisa menjawab, mengingat sangat teknis sekali dan banyak parameter yang dipakai untuk pengambilan sampel seperti: produksi-nya masssal atau tidak, dll.

Pertanyaan 4. Apakah single crystal artinya sama dengan only single grain present on the entire surface of the blade?

Jawabnya: Ya

Pertanyaan 5. Apakah welding operation yang dilakukan dalam rangka memperbaiki blades dapat menyebabkan perubahan struktur single crystal? Kalau ya, berarti setelah welding operation perlu dilakukan heat treatment khusus untuk mengembalikan struktur menjadi single crystal? Metode seperti apakah itu?

Jawabnya :

Proses Welding umumnya melibatkan masukan panas yang tinggi (temperatur) untuk peleburan (melting), akibat panas tsb maka material akan mengalami perubahan struktur mikro misalnya rekristalisasi, pertumbuhan butir dll, selain itu akibat pengelasan akan menimbulkan tegangan sisa (residual stress) pada komponen tsb yang akhirnya menyebabkan keretakan (defect). Sehingga untuk memperbaiki turbin blade dengan metoda welding amatlah sulit prosedurnya (WPS) dalam mengembalikan struktur awal turbin blade. Selain itu biayanya menjadi berlipat akibat repair tsb. Heat treatment (yang umum dilakukan yaitu : solution heat treatment) tidak membantu dalam mengembalikan struktur single crystal tetapi proses tsb akan menghomogenkan struktur dendritik hasil proses casting. Banyak penelitian yang dilakukan untuk memperbaiki turbin blade ini dengan metoda pengelasan antara lain dengan Laser Powder Welding (LPW) yang dikembangkan oleh Sulzer Elbar di Belanda, sehingga dapat mengatasi permasalahan perubahan struktur dan mekanis turbin blade. Alamatnya di www.elbar.nl.

Sebenarnya ada beberapa teknik reparasi yang saat ini sedang dikembangkan
al:

High Strength Diffusion Braze Repairs with 50% or More Base Material

Laser Welding & Drilling – Smaller Heat Affected Zones

Vacuum Plasma Spray Base Metal Build-Up/Restoration

Electron Beam Vapor Deposition Base Metal Build-Up

High Temperature (1800oF) Blade Metal Weld Techniques

Note: REPAIR COSTS WILL DOUBLE & TRIPLE

Demikian penjelasan yang cukup panjang dari saya semoga bermanfaat.

Tanggapan selengkapnya dari rangkuman diskusi diatas yang diambil dari Rangkuman Diskusi Mailing List Migas Indonesia ini dapat dilihat dalam file berikut: