Material Tahan Leleh — Thermal Barrier Coating (TBC)

Halo Sob! Kalau Sobat Solid membuka artikel ini, pastinya penasaran kan Sob tentang mekanisme kerja dari thermal barrier coating (TBC)? Kenapa sih kalau TBC diaplikasikan pada permukaan material seperti logam, material tersebut bisa beroperasi pada temperatur yang sangat tinggi? Pertanyaan kalian bakal dijawab di artikel ini Sob, jadi simak artikel ini ya!

Jadi Sob, berbicara tentang TBC pastinya berbicara tentang konduktivitas termal. Kenapa? Karena TBC ini berfungsi sebagai thermal insulator, agar material yang dilapisi ini tidak menerima panas yang extreme. Agar tujuan ini tercapai, TBC harus memiliki konduktivitas termal yang rendah. Sebagai contoh, gas yang dihasilkan oleh combustion chamber berada pada temperatur sebesar 1700 ⁰C, padahal material turbine blade seperti nickel superalloys akan meleleh pada temperatur 1400 ⁰C. Pada kasus seperti inilah kehadiran TBC sangatlah krusial, karena membuat turbine blade menerima panas di bawah temperatur 1400 ⁰C.

Struktur mesin turbin gas (Sumber: https://www.dreamstime.com/gas-turbine-engine-structure-vector-illustration-gas-turbine-engine-structure-gas-turbine-also-called-combustion-turbine-image158248067)

Berikut ini adalah ilustrasi dari dicegahnya perpindahan panas dari udara menuju material yang dilapisin, dengan TBC merupakan material yang berwarna biru tua.

Ilustrasi mekanisme kerja TBC (Sumber: https://poeton.co.uk/knowledge-hub/thermal-barrier-coatings)

Lalu, kira-kira material seperti apa yang memenuhi syarat untuk menjadi TBC? Material yang umumnya digunakan sebagai TBC adalah yttria stabilized zirconia (YSZ) yang disertai dengan adanya porositas, dengan alasan sebagai berikut:

• Zirconia = Merupakan keramik yang memiliki temperatur leleh yang sangat tinggi, lebih tinggi daripada material seperti baja. Sifat ini sangatlah penting dikarenakan TBC merupakan lapisan terluar, sehingga ter-expose terhadap panas. Selain itu, zirconia juga memiliki konduktivitas termal yang rendah.
• Yttria = Berfungsi sebagai stabilizer, memastikan zirconia tidak mengalami perubahan fasa selama siklus termal
• Porositas = Berfungsi untuk menghambat perpindahan panas, yang sangat dibutuhkan untuk aplikasi TBC.

Berikut ini adalah perbandingan konduktivitas termal dari YSZ dengan material lainnya:

Konduktivitas termal dari berbagai material (Sumber: https://poeton.co.uk/knowledge-hub/thermal-barrier-coatings)

Lalu, apa peran lapisan-lapisan lainnya?

• Bond coat = Berfungsi agar TBC dapat mengikat lapisan lainnya dengan substrat, material yang ingin dilapisi. Fungsi lain dari bond coat adalah mencegah terjadinya oksidasi pada substrat, dengan cara berperan sacrificial layer. Fungsi ini sangatlah penting mengingat bahwa oksigen mampu berdifusi melewati lapisan TBC dan menuju substrat. Yang dimaksud dengan sacrificial layer ini adalah bereaksinya lapisan ini dengan oksigen sehingga terjadi oksidasi, membentuk thermally grown oxide (TGO)
• Thermally grown oxide (TGO) = Setelah terbentuknya lapisan ini, oksigen akan semakin sulit untuk berdifusi menuju substrat, sehingga tidak mungkin terjadinya oksidasi pada substrat

Lapisan-lapisan pada TBC (Sumber: Saltykov, P., Fabrichnaya, O., Golczewski, J., & Aldinger, F. (2004). Thermodynamic modeling of oxidation of Al–Cr–Ni Alloys. Journal of Alloys and Compounds, 381(1–2), 99–113. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.02.053)

Keren ya Sob TBC ini, tapi ga sampai situ aja! TBC juga meningkatkan kinerja dari mesin turbin gas pesawat lho Sob! Hubungannya apa ya? Adanya TBC ini memungkinkan temperatur gas yang dihasilkan pada combustion chamber menjadi lebih tinggi. Semakin tingginya temperatur gas yang dihasilkan, semakin bagus juga bagi mesin turbin gas pesawat oleh sebab efisiensi kerja mesin yang ikut meningkat. Jadi, meningkatnya efisiensi pada mesin akan menghasilkan power yang lebih besar ya Sob!

Pengaruh temperatur gas terhadap power (Sumber: https://msestudent.com/what-are-thermal-barrier-coatings-tbcs-materials-manufacturing-methods-and-applications/)

Wah keren banget ya Sob, material TBC ini. Tidak hanya ditemui di pesawat, aplikasi TBC juga bisa ditemukan di exhaust engine system yang terdapat pada mobil, turbocharger casing, dan aplikasi-aplikasi lainnya yang beroperasi pada temperatur extreme/sangat tinggi. Semoga pengembangan dari TBC terus berlanjut ya Sob supaya nantinya material TBC bisa beroperasi pada kondisi yang lebih extreme lagi! Sekian dan sampai jumpa di artikel selanjutnya ya Sob! Terima kasih sudah membaca CHIMP sampai akhir ^_^

Penulis
Daniel Tulus Lumban Tobing (Teknik Material ITB 2018)
Evan Ariella Gumelar (Teknik Material ITB 2018)

Editor
Edbert Wing Hanitio (Teknik Material ITB 2018)

Referensi:
S. Bose, High Temperature Coatings. 2007.
Thermal Barrier Coating — Spray Coating System — Cheersonic (cheersonic-liquid.com)
Using A Bonding Layer To Create Thermal Barrier Coatings | A&A Thermal Spray Coatings
Thermal Barrier Coatings (TBCs): Materials, Manufacturing Methods, and Applications — Materials Science & Engineering (msestudent.com)
Thermal Barrier Coatings | Knowledge Hub | Poeton Industries Ltd