## PERUBAHAN STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK AKIBAT PEMANASAN DIATAS TEMPERATUR KERJA PADA MATERIAL SUDU TURBIN NICKEL BASED SUPERALLOYS SRR 99

## MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES ALTERATION DUE TO OVERHEATING TEMPERATURE IN TURBINE BLADES NICKEL BASED SUPERALLOYS SRR 99
Toni Agung Priambodo 1 , Bambang Widyanto 2
1 Balai Besar Bahan dan Barang Teknik, Jl. Sangkuriang 14, Bandung 40135
2 Program Studi Teknik Material - Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132 Email: toniagung@kemenperin.go.id
Diterima: 9 April 2015 Direvisi: 7 Mei 2015 Disetujui: 11 Juni 2015

## ABSTRAK
Sudu turbin merupakan komponen dari mesin pesawat yang akan terekspose pada temperatur tinggi. Material superalloys banyak digunakan sebagai bahan untuk membuat sudu turbin, karena memiliki kekuatan yang baik pada temperatur tinggi. Salah satu material superalloy yang digunakan adalah SRR 99, yang merupakan material nickel based superalloys yang memiliki butir tunggal. Namun, material ini juga akan mengalami perubahan struktur mikro dan sifat mekanik pada saat terekspose pada temperatur yang terlalu tinggi.  Penelitian  ini mempelajari pengaruh pemanasan diatas temperatur kerja atau temperatur overheat terhadap struktur mikro dan sifat mekanik dari material sudu turbin Nickel Based Superalloys SRR 99. Temperatur pemanasan yang digunakan sebesar 1250 o C. Dari hasil pemanasan  yang  dilakukan  terjadi  penurunan  ukuran  partikel  γ’  sebesar  51%  dan  kenaikan  harga  kekerasan  dari kekerasan awal sebesar 13% dibandingkan dengan kondisi sebelum pemanasan. Sedangkan variasi waktu yang dilakukan pada penelitian ini tidak memberikan perbedaan yang signifikan terhadap perubahan ukuran partikel γ’ dan nilai kekerasan.
Kata kunci: sudu turbin, mikrostruktur, nickel based superalloys, SRR 99

## ABSTRACT
Turbine blade is one of the components of aero engine that exposed to  high temperature. Superalloys materials mostly used for turbine blade’s material, because it has good strength at elevated temperature. One type of the superalloys that is used is SRR 99. SRR 99 is a nickel based superalloys and has single crystal. This research was focused on the effect of heat treatment above the working temperature on the micro structure and mechanical properties of turbine blade Nickel Based Superalloys SRR 99. Heating temperature that used is 1250 o C. The heat treatment resulted in decreasing of γ’ particle size of 51% and the increasing of 13% hardness number compared to that of initial condition. Time variation performed in this research does not give a significant difference to changes in γ’ particle size and hardness number.
Keywords: turbine blade, microstructure, nickel based superalloys, SRR 99

## PENDAHULUAN
Pada mesin pesawat terbang yang menggunakan sistem turbin gas, semakin tinggi temperatur pembakaran semakin tinggi efisiensi yang dihasilkan. Sudu turbin sebagai salah satu bagian dari komponen mesin pesawat terbang yang menerima tekanan dan temperatur yang
tinggi. Material logam dapat mengalami perubahan struktur mikro jika terpapar pada temperatur tinggi yang berakibat pula terhadap perubahan sifat mekanik, juga dapat terjadi pada sudu turbin ketika  terekspose pada temperatur diatas temperatur operasi atau pada kondisi overheat .
Material sudu turbin yang digunakan pada mesin pesawat terbang umumnya adalah material superalloys . Material jenis ini memili kekuatan mekanik pada temperatur tinggi dan ketahanan yang baik terhadap lingkungan pada temperatur tinggi. Kekuatan mekanik diperoleh dari pembentukan  presipitat  γ’  pada  matriks  γ. Sedangkan ketahanan korosi material ini didapat dengan pembentukan lapisan oksida hasil penambahan unsur Cr atau Al yang kemudian membentuk lapisan Cr 2 O 3 dan Al 2 O 3 saat terekspose dengan O 2 . Berdasarkan unsur paduan utamanya superalloy terbagi menjadi tiga kelompok. Nickel based, cobalt based , dan iron based [1].
SRR 99 adalah material superalloys yang masuk dalam kelompok Nickel Based dengan paduan kristal tunggal ( single crystal ) yang memiliki komposisi Cr 8,5%; Co 5%; W 9,5%; Ta 2,8%; Al 5,5%; Ti 2,2%.  Unsur paduan tersebut merupakan unsur-unsur yang berfungsi sebagai penguat dalam solid solution strengthening [2]. Material SRR 99  digunakan sebagai sudut  jalan pada second stage turbine dari High Pressure Turbine mesin TAY ( Turbofan engine ). Kondisi operasi material ini berkisar  antara  temperatur 900-1000°C [3]. Penggunaan material ini pada temperatur yang lebih tinggi atau yang disebut temperatur overheat dapat mengakibatkan perubahan struktur mikro yang bisa mempengaruhi sifat mekanik dari material tersebut.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada struktur mikro jika material SRR 99 terpapar pada temperatur diatas temperatur kerja normal atau pada kondisi overheat. Kondisi overheat ini dapat terjadi pada turbin antara lain disebabkan tersumbatnya saluran pendingin yang terdapat pada sudu turbin, kinerja mesin yang menurun atau kesalahan dalam pengoperasian mesin. Penelitian ini belum dapat merepresentasikan keadaan sudu turbin pada kondisi sebenarnya dengan mengabaikan gaya sentrifugal yang diterima sudu turbin pada saat mesin berjalan.

## BAHAN DAN METODE
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah material superalloys SRR 99. Proses penelitian yang dilakukan adalah dengan pemanasan material SRR 99 pada temperatur 1250 o C dengan variasi waktu pemanasan. Waktu pemanasan yang diberikan adalah selama 20, 40,
dan 60 menit. Pemilihan waktu ini  didasarkan informasi bahwa waktu yang diperbolehkan untuk material SRR 99 dalam keadaan overheat paling lama adalah 10 menit. Variasi waktu dilakukan untuk mengetahui ada tidaknya pengaruh dari perbedaan waktu pemanasan terhadap struktur mikro dan sifat mekaniknya.
Metode penelitian yang dilakukan adalah membandingkan struktur mikro dan sifat mekanik antara sebelum pemanasan dan setelah pemanasan, dan dengan variabel waktu. Analisa struktur mikro menggunakan SEM ( Scanning Electron Microscope ). Sedangkan penghitungan besar ukuran partikel atau presipitat dan jarak antar partikel atau presipitat menggunakan metode garis intersept dengan  perangkat lunak Lince . Hasil yang ditampilkan dalam makalah ini adalah besar ukuran partikel atau presipitat dan jarak antar partikel rata-rata dari 10 kali pengambilan data. Perubahan sifat mekanik direpresentasikan dengan mengukur perubahan harga kekerasan sebelum dan sesudah pemanasan dengan menggunakan metode micro vickers . Hasil nilai kekerasan yang dianalisa dalam makalah ini adalah nilai kekerasan rata-rata dari 5 kali pengambilan data supaya dapat mewakili sampel secara keseluruhan. Metode micro vickers dipilih karena metode ini yang paling cocok digunakan untuk material sampel yang kecil. Pada metode micro vickers , beban indentasi yang digunakan 1 gf sampai dengan 200 gf. Proses pengukuran harga kekerasan metode micro vickers secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 1. Kemudian setelah pemberian indentasi, bekas indentasi pada material sampel diukur jarak d1 dan d2. Dari data d1 dan d2 tersebut, kemudian dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Gambar 1. Metode Pengukuran Harga Kekerasan Metode Micro Vickers
Pada penelitian ini juga dilakukan analisa meng- gunakan EDS ( Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy ) untuk mengetahui unsur-unsur penyusun dari sampel SRR  99 yang digunakan sehingga dapat diketahui perubahan fasa yang terjadi dengan meletakkan komposisi unsur penyusunnya pada diagram fasa.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil SEM yang dilakukan terhadap sampel awal yang  belum mengalami pemanasan terlihat pada Gambar 2.
Tabel 1. Perubahan Besar Presipitat γ’
Waktu Pemanasan (menit) Ukuran γ’(µm) 0 (awal) 0,307 20 0,148 40 0,147 60 0,136 Tabel 2. Jarak Antar Partikel γ’ Waktu Pemanasan (menit) Jarak antar partikel γ’ (µm) 0 (awal) 0,133 20 0,058 40 0,053 60 0,048
Tabel 3. Nilai Kekerasan Material SRR 99
Waktu Pemanasan (menit) Kekerasan (HV) 0 (awal) 354,0 20 408,6 40 395,6 60 418,5
Dari hasil SEM pada material awal diperoleh besar ukuran rata-rata  presipitat γ’ sebesar 0,307 µm dan jarak antar rata-rata presipitat  γ’  sebesar  0,133.µm. Nilai kekerasan dari material sudu turbin SRR 99 sebelum mengalami perlakuan panas adalah 354 HV.
Setelah dilakukan proses pemanasan sampai temperatur 1250 o C dengan variasi waktu selama 20, 40 dan 60 menit diperoleh hasil struktur mikro seperti yang tampak pada Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5. Dari data pada Tabel 1 dan Tabel  2, dapat dilihat bahwa telah terjadi perubahan ukuran yang signifikan pada presipitat
γ’ dan jarak antar presipitat γ’ akibat pemanasan sampai temperatur 1250 o C. Sedangkan perbedaan waktu pemanasan 20, 40 dan 60 menit tidak memberikan perbedaan yang signifikan.
Dari data kekerasan pada Tabel  3 dapat dilihat bahwa telah terjadi perubahan harga kekerasan antara sampel sebelum dan setelah pemanasan. Sedangkan perbedaan waktu pe- manasan tidak menghasilkan perbedaan kekeras- an yang dapat dilihat dari nilai rata-rata antara perlakuan 1, 2 dan 3 yang selisihnya relatif kecil jika dibandingkan dengan sampel awal dan sampel setelah mengalami perlakuan panas.
Gambar 2. Struktur Mikro SRR 99 sebelum Pemanasan t erdiri dari Matriks γ dan Presipitat γ’
Gambar 3. Struktur Mikro Material SRR 99 setelah Mengalami Pemanasan sampai Temperatur 1250 o C selama 20 Menit
Gambar 4. Struktur Mikro Material SRR 99 setelah Mengalami Pemanasan sampai Temperatur 1250 o C selama 40 Menit
Gambar 5. Struktur Mikro Material SRR 99 setelah Mengalami Pemanasan sampai Temperatur 1250 o C selama 60 menit
Penurunan  ukuran  presipitat  γ’  sebelum dan sesudah pemanasan terjadi karena pemanasan pada temperatur 1250 o C,  presipitat  γ’  larut kedalam  matriks  γ,  seperti ditunjukkan pada diagram fasa Gambar 7. Terlihat bahwa pada saat pendinginan dengan media pendingin udara, presipitat akan mulai menjadi inti  kembali dan membentuk  presipitat  γ’  yang  ukurannya  lebih kecil dari ukuran awal.
Dari hasil pengujian EDS untuk me- ngetahui unsur-unsur penyusun material SRR 99 yang digunakan sebagai sampel  diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 4. Komposisi Material SRR 99 Hasil EDS
Unsur SRR 99 Matriks (γ) Presipitat (γ’) % % % Al 3,35 3,30 2,36 Ta 5,89 5,36 4,49 W 12,8 15,48 6,14 Ti 1,25 1,07 1,97 Cr 9,95 12,25 4,88 Co 5,95 6,53 4,51 Ni 60,8 56,01 75,63 Total 100 100 100
Gambar 6. Grafik Hasil Pengujian EDS
Dari hasil EDS pada material SRR 99 yang digunakan sebagai sampel, maka dapat diketahui komposisi   persen   berat   dari   unsur  penyusun
sampel. Dari persen berat tersebut, dapat diketa- hui posisi sampel material SRR 99 yang digunakan pada diagram fasa (Gambar 7).
Gambar 7. Diagram Fasa Ni-Ti-Al pada Temperatur 700°C dan 1300°C [3]
Peningkatan harga kekerasan antara sebelum dan setelah perlakuan pemanasan terjadi karena besar gaya yang dibutuhkan oleh dislokasi untuk dapat menembus partikel yang koheren (presipitat  γ’)  lebih  besar  daripada  gaya  yang dibutuhkan  untuk menembus matriks. Pada partikel koheren dan berukuran kecil, dislokasi dapat menembus partikel tersebut dengan cara memotong (cutting) [5]. Deformasi yang tejadi akan menghasilkan penumpukan dislokasi yang dapat menjadi penghalang pergerakan dislokasi lain yang akan melewatinya. Dengan pe- numpukan dislokasi ini, maka akan semakin tinggi tegangan yang diperlukan untuk meng- gerakkan dislokasi pada material tersebut. Peningkatan harga kekerasan juga disebabkan karena penurunan jarak antar presipitat γ’ seperti tampak pada Tabel  3. Semakin kecilnya jarak antar  presipitat  γ’  maka  penghalang  pergerakan dislokasi akan semakin banyak. Penghalang ini dapat berupa dilokasi lain atau presipitat itu sendiri.

## KESIMPULAN
Dari penelitian ini  dapat diketahui bahwa pemanasan yang dilakukan terhadap material SRR 99 pada temperatur 1250 o C menyebabkan fasa  γ’  mengalami  penurunan  ukuran  sebesar 51%. Sedangkan perbedaan waktu pemanasan yaitu selama 20, 40, dan 60 menit tidak menghasilkan  perubahan  ukuran  fasa  γ’. Pemanasan  yang dilakukan terhadap material
SRR 99 pada temperatur 1250 o C menyebabkan peningkatan nilai kekerasan sebesar 13%. Sedangkan perbedaan waktu pemanasan yaitu selama 20, 40, dan 60 menit tidak menghasilkan perubahan harga kekerasan yang signifikan terhadap  material SRR 99. Kesimpulan dari penelitian ini adalah akibat dari pemanasan diatas temperatur kerja menyebabkan penurunan ukuran presipitat γ’ yang berakibat pada kenaikan harga kekerasan dari material nickel based superalloys SRR 99. Dengan kenaikan nilai kekerasan tersebut, dapat disimpulkan bahwa ketangguhan material SRR 99 juga menurun.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ir. Fadzar Vira C sebagai narasumber dalam penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Tresa M. Pollock and Sammy Tin, 2006, “Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry, Microstruc- ture, and Properties”, Journal of Propulsion and Power 22 (2): 361-374.
[2] Sims, Stolof, Hagel,  1987, Superalloys II , New York,  John Willey & Sons  Inc.,  615 hlm.

## Komposisi SRR 99

## Komposisi SRR 99
[3] Bhadeshia, H. K. D. H,  2014,  Nickel Based Superalloys, http:/www.msm.cam. ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html , diakses 28 Juni 2014.
[4] Vira, Fadzar C,  2009,  PT.  Nusantara Turbin dan Propulsi, Bandung,  Komunika- si pribadi.
[5] C Dieter, G.E, 1986, Mechanical Metallurgy, Third Edition,  New York, McGrawHil, 800 hlm.
[6] Kang Yuan, Robert Eriksson, Ru Lin Peng, Xin-Hai Li, Sten Johansson, Yan-Dong Wang, 2013, “Modeling of Microstructural Evolution and Lifetime  Prediction of MCrAlY  Coatings on Nickel  Based Superalloys  during  High  Temperature Oxidation, Surface and Coatings
Technology”.  Volume 232 , 15 October 2013, Pages 204–215.
[7] L. Y. Sheng, F. Yang, T. F. Xi, C. Lai, J.
T. Guo,  “Microstructure and Elevated
Temperature Tensile Behaviour of
Directionally  Solidified  Nickel  Based Super-alloy”   Materials Research Innova- tions, Vol. 17 /2013, Hal 101-106.
[8] Calister, William, D. 2003, Materials Science and Engineering  –  An Introduc- tion,  6th Edition ,  New York,  John Willey
& Sons Inc., 201 hlm.
[9] ASM Handbook,  2004, ASM Handbook Vol 9, Metallography and Microstructures , ASM International.
[10]  Porter, D.A. & Easterling, K.E.,  1991, Phase Transformation in Metals and Alloys ,  London,  Chapman & Hall,  301 hlm.