Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

Analisa Kegagalan Sudu Turbin Bertekanan Tinggi Tingkat Pertama pada Pesawat Boeing 747-400

Oleh :Reza Jaya Wardhana (2706 100 045)

Dosen Pembimbing :Ir. Muchtar Karokaro, M.Sc

Hariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si

BAB IPendahuluan

Latar Belakang

Perumusan Masalah

Tujuan Penelitian

Batasan Masalah

Manfaat Penelitian

• Komponen – komponen turbin akan mengalami degradasi ataupun kerusakan akibat beban dan temperatur yang cukup tinggi

• Degradasi ataupun kerusakan akan berdampak buruk pada sifat metalurgi dan sifat mekanik pada komponen

• Komponen dalam turbin gas yang paling rentan mengalami kerusakan adalah sudu turbin (turbine blade)

• Kasus kerusakan pada sudu turbin pesawat terbang terjadi di PT. GMF AeroAsia, yaitu pada komponen High Pressure Turbine Blade Stage I

Latar Belakang

• Mempelajari faktor penyebab kegagalan pada komponen HPT Blade

• Mempelajari mekanisme kegagalan dan pola patahan yang terjadi pada komponen HPT Blade

• Menentukan langkah – langkah penanggulangan yang perlu dilakukan agar kerusakan pada HPT Blade dapat diminimalisir

Tujuan Penelitian

• Pengambilan data berupa beban serta temperatur yang bekerja pada komponen HPT Blade hanya dibatasi pada saat pesawat take-off

• Proses produksi, permesinan dan perlakuan panas komponen sesuai dengan standar yang ditentukan

• Proses perakitan dan perawatan komponen berjalan sesuai dengan standar operasional yang ditentukan

• Desain awal dari komponen dianggap sudah memenuhi kebutuhan aplikasi pembebanan

Batasan Masalah

• Menentukan faktor – faktor penyebab terjadinya kegagalan pada HPT Blade

• Masukan untuk langkah perawatan dan penanggulangan agar kasus kerusakan dengan pola yang sama dapat diminimalisir

• Mengatur penjadwalan perawatan seefisien mungkin

Manfaat Penelitian

Penyebab fenomena kegagalan yang terjadi pada komponen sudu turbin:

• Kerusakan mekanik

• Kerusakan akibat temperatur tinggi

• Creep

• Fatigue

• Korosi

Carter TJ. 2005. Common Failure in Gas Turbine Blades. Eng Fail Anal;12:237–47. Elsevier

Patah catastrophic yang terjadi pada komponen sudu turbin diikuti oleh beberapa tahapan:

• Susunan dari oksida nikel dan kobalt

• Kontaminasi dari senyawa chromium sulfide

• Degradasi dari struktur mikro logam

• Munculnya korosi batas butir pada bagian leading edge dan trailing edge

• Arah perambatan retak diawali dari mekanisme fatigue

• Patah awal pada bagian penampang hingga merambat ke patah akhir pada bagian trailing edge

Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

Kerusakan pada sudu turbin yang terbuat dari Inconel 738LC, akibat:

• Hilangnya lapisan TBC karena thermal fatigue

• Degradai dari fasa ϒ’ setelah hilangnya lapisan TBC sehingga menyebabkan ketahanan creep berkurang

Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas Turbine Blade Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86. Elsevier

Diagram Alir Penelitian

Start

Pengambilan dan Persiapan Spesimen

Pengambilan Data Primer

Pemeriksaan

Awal dan

Pengamatan

Makroskopik

(Photography)

Fractography

(Stereo Microscope Observationand SEM )

Pengamatan Mikroskopik(Metalografi dan SEM)

Identifikasi Komposisi

Kimia

EDX (Energy Dispersive X-Ray) dan OES(Optical Emission

Spectrometer

Pengambilan Data Sekunder

Identifikasi Beban

dan Tegangan

Operasi

Gaya Sentrifugal

Pengujian Mekanik

(Hardness Rockwell C)

Data Primer Data Sekunder

Pembahasan dan Analisa Data

Kesimpulan dan Saran

End

1

2

3

1

2

3

13

Perbandingan Bentuk Morfologi antara Sudu Turbin dalam Kondisi Bagus dan Sudah Rusak

Pemotongan spesimen uji menjadi 3 bagian (bagian concave tampak depan dengan pembesaran normal)

Pengamatan Fraktografi pada Bagian I

Pengamatan Fraktografi pada Bagian I(Concave)

6x

25x

37 x

Pengamatan Fraktografi pada Bagian I (Convex)

6x

25x

37 x

6x

25x

45x

a) Sampel uji bagian II (tampak depan), dipotong lagi menjadi 2 bagianb) Tampak atas bagian transversal c) Tampak atas bagian radial

Cooling Hole

Cooling Hole

Pengamatan Mikroskopik pada Bagian Transversal

100 x 50 x

Grain Boundary

Cooling Hole

Pengamatan dan Evaluasi pada Coating

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada daerah Top Coat

Columnar Grain

PVD

Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Top Coat

• Unsur – unsur yang terbentuk diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, dan Zr

• Senyawa – senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya ZrO2, Al2O3, Cr2O3, CoO, dan NiO

• Tidak dapat ditemukan unsur Y (Yttria) karena kandungan unsurnya yang cukup kecil (± 8%)

• Unsur C bukan kandungan dari sistem lapisan

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat

Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat

• Unsur – unsur yang terbentuk pada daerah tersebut diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, dan Zr

• Senyawa – senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari % atom diantaranya ZrO2, Al2O3, Cr2O3, CoO, dan NiO

• Terjadi peningkatan pada semua unsur yang ada dibandingkan dengan unsur – unsur yang berada pada lapisan top coat, kecuali pada unsur Zr

• Proses perlakuan panas pada spesimen menggunakan TBC, menyebabkan munculnya TGO (Thermally Grown Oksida) di daerah interface antara top coat dan bond coat

• TGO (Thermally Grown Oxide) merupakan lapisan tipis Alumina dan adanya daerah intermixed zone (daerah yang mengandung paduan dari Nikel, Cobalt, Chromium, dan Alumunium)

Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Interface antara Top Coat dan Bond Coat

• Oksida (warna gelap) yang terbentuk sebagian ada yang sebagai proteksi dan lainnya adalah pengotor dan oksida campuran

• Lapisan TGO (Thermally Grown Oxide) mempunyai karakteristik yang berbeda

• Seiring dengan terbentuknya TGO juga menimbulkan oksida yang metastabil, mikroporositi, internall stress, dan crack.

• Internal stress terbentuk karena perbedaan CTE (Coeficient Thermal Expansion) antara permukaan top coat (keramik) dengan permukaan bond coat

• TGO (Thermally Grown Oxide) merupakan penyebab kegagalan dari sistem TBC

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Bond Coat

Isolated TGO

Cooling Hole

Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Bond Coat

• Lapisan bond coat yang digunakan pada sudu turbin ini dari jenis Pt – Al coating

• Unsur-unsur pembentuknya C, O, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Pt, dan Tl

• Semakin ke dalam, semakin turun kadar Zr, Al dan O sedangkan unsur Cr, Co dan Ni mengalami peningkatan jika dibandingkan dengan lapisan sebelumnya

• Terdapat isolated TGO (Thermally Grown Oxide) dan porositas

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Isolated TGO

Isolated TGO

Cooling Hole

Analisa Hasil Uji SEM-EDS pada Daerah Isolated TGO

• Unsur berupa C,O, Al, S, Cr, Co, Ni, Zr, dan Pt

• Untuk senyawa yang bisa terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya Al2O3, SO3, Cr2O3, CoO, NiO, ZrO2, dan PtO

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Interface antara Bond Coat dengan Base Metal

Cooling Hole

Pengamatan Hasil Uji SEM-EDS pada Interface antara Bond Coat dengan Base Metal

• Incomplete diffusion di lapisan interface antara bond coat dengan base metal

• Unsur – unsur yang terbentuk diantaranya C, O, Al, Cr, Co, Ni, Zr, Mo, dan Pt

• Senyawa – senyawa yang terbentuk berdasarkan hasil perbandingan dari %atom diantaranya, diantaranya Al2O3, Cr2O3, CoO, NiO, ZrO2, MoO3, dan PtO

• Semua unsur mengalami penurunan kecuali Ni

• Terdapat fasa TCP (Topological Closed Packed) formation

• Formasi TCP ini terjadi karena disebabkan oleh proses oksidasi yang dapat merubah komposisi kimia pada base metal dan dapat menghasilkan fasa baru dari β NiAl, berubah menjadi β NiAl + γ’(Ni,Pt)3Al

Cooling Hole

TCP Formation

Base Metal

TCP Formation

TGO

Bond Coat

Cooling Hole

Mekanisme Kegagalan Coating TBC pada Sudu Turbin

• Ketidakcocokan sifat termofisik

• Thermal pressure pada top coat

• Chemical degradation pada lapisan top coat

• Oksidasi pada lapisan bond coat

• Pergerakan TGO (Thermally Grown Oxide)

• Spinel Formation

Cooling Hole

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 1 dan 2

Cooling Hole

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2

Cooling Hole

Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2

• Untuk Objek 1 yang terletak pada lapisan terluar, unsur – unsur penyusunnya yaitu C, O, Al, Si, Cr, Co, Ni, dan Pt

• Objek 2 yang terletak pada lapisan interdifusion antara lapisan luar dan substrat,unsur – unsurnya antara C, Al, S, Cr, Co, Ni, dan Pt

• Objek 3, diambil pada daerah base metal , unsurnya berupa unsur C, Al, Cr, Co, dan Ni

• Unsur – unsur Cr, Co, Ni, dan Pt semakin ke dalam intensitasnya semakin meningkat sedangkan untuk unsur - unsur seperti O, Al, dan Si semakin ke dalam kandungannya semakin menurun

Cooling Hole

Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2

• Mengindikasikan bahwa terjadi degradasi pada lapisan terluar karena reaksi oksidasi, karena *):

– Hilangnya sistem proteksi pada lapisan karena pengaruh oksidasi dan korosi temperatur tinggi, hal ini diakibatkan terkonsumsinya unsur Al dari sistem lapisan, yang dibutuhkan untuk membentuk lapisan film pelindung Al2O3 pada permukaan

– Adanya reaksi interdifusi coating - substrat, yang diakibatkan berdifusinya unsur – unsur yang berada pada substrat menuju ke coating

*) Reff: Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas

Turbine Blade Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86.

Cooling Hole

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 3

Cooling Hole

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM-EDS pada Bidang Transversal di Titik 3

Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM - EDS pada Bidang Transversal di Titik 2

• Untuk Objek 1 yang terletak pada lapisan terluar, unsur – unsur penyusunnya yaitu C, O, Al, Si, Cr, Co, Ni, dan Pt

• Objek 2 yang terletak pada lapisan interdifusion antara lapisan luar dan substrat,unsur – unsurnya antara C, Al, Si, Cr, Co, Ni dan Pt

• Objek 3, diambil pada celah retakan, unsurnya berupa C, O, Al, Si, Cr, Fe, Co, Ni, dan Pt

• Objek 4 pada daerah base metal didapatkan unsur yaitu C, Al, Cr, Co, dan Ni

• Unsur – unsur Cr, Co, Ni, dan Pt semakin ke dalam intensitasnya semakin meningkat sedangkan untuk unsur - unsur seperti O, Al, dan Si semakin ke dalam kandungannya semakin menurun

Cooling Hole

Analisa Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Transversal di Titik 3

• Terjadinya perambatan retak dari lapisan Pt – Al sampai ke base metal, diakibatkan terkikisnya lapisan pelindung *):

– Senyawa PtAl2 yang terdapat pada lapisan paling luar larut dalam NiAl dan membentuk fasa tunggal yaitu (Ni,Pt)Al atau fasa β

– Fasa ini kemudian terurai menjadi biphase structure γ’ *(Ni,Pt)3Al+ + β

– Unsur aluminium akan habis akibat oksidasi sehingga menyebabkan hilangnya fasa β dan hanya γ’ yang tersisa

– Fasa ini nantinya akan terurai menjadi fasa γ (Ni dan unsur lainnya bergabung membentuk solid solution)

– Pada akhirnya hanya tersisa fasa γ saja dan lapisan akan terkonsumsi habis

*) Reff: Bernstein HL. Analysis of cracked gas turbine blades. Proceedings of International Gas Turbine and Aeroengine

Congress andExposition, Orlando:1991. New York: ASME; 1991. p. 1–12.

*)

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Radial di Titik 4 dan 5

Oksigen Embritllement

Pengamatan Pola Retakan Hasil Uji SEM pada Bidang Radial di Titik 6

*) Reff : Carter TJ. 2005. Common Failure in Gas Turbine Blades. Eng Fail Anal;12:237–47

*)

Pengamatan pada Struktur Mikro

*) Reff : P Zhi-wei Yu. 2007. Failure Investigation on Failed Blades Used in a Locomotive Turbocharger. ©ASMInternational.

Lapisan Film

*)

Grain growth

Void yang terdapat pada batas butir

Hasil Komposisi Kimia dari Rene 142

Skema Sudu Turbin per Elemen pada Sumbu Radial *)

*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

Gaya Sentrifugal karena Momen Bending *)

*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

Gaya Sentrifugal Berdasarkan Perbandingan Jarak antara r-Rh and Rt *)

*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

Tegangan yang Bekerja pada Lokasi Patahan Sudu Turbin

*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

• σf = 36.98 MPa

Distribusi Tegangan Tarik Sepanjang Luas Penampang Airfoil *)

*) Reff : Poursaeidi, E. 2007. Failure Analysis of a Second Stage Blade in a Turbine Engine. Eng Fail Anal. Elsevier

Hasil Uji Kekerasan

Kesimpulan

• Sudu turbin terbuat dari Nickel Based ‘Rene 142’ Superalloy berjenis investment casting Columnar Grain Directionally Solidified (CGDS). Sudu turbin ini dilapisi dengan lapisan TBC pada top coat dipadu dengan lapisan Pt – Al pada bond coat dan bagian dalam rongga pendingin

• Dari pengamatan visual pada permukaan patahan, menunjukkan 2 tipe permukaan patahan yaitu flat shiny (berbentuk rata mengkilap) yang merupakan tanda – tanda dari patah getas dan dark fibrous ( gelap berserabut) yang merupakan tanda – tanda dari patah ulet. Selain itu juga tampak lapisan coating yang terkelupas pada bagian leading edge dan pada bagian tengah airfoil

• Retakan berasal dari dinding rongga pendingin bagian dalam

• Mekanisme kegagalan coating TBC yang terjadi pada sudu turbin ini diakibatkan karena beberapa faktor, diantaranya:

– Ketidakcocokan sifat termofisik

– Thermal pressure pada top coat

– Chemical degradation pada lapisan top coat

– Oksidasi pada lapisan bond coat

– Pergerakan TGO

• Retakan terjadi pada lapisan akibat proses degradasi, yang dikarenakan:

– Hilangnya sistem proteksi pada lapisan karena pengaruh oksidasi dan korosi temperatur tinggi, hal ini diakibatkan terkonsumsinya unsur Al dari sistem lapisan, yang dibutuhkan untuk membentuk lapisan film pelindung Al2O3 pada permukaan

– Adanya reaksi interdifusi coating - substrat, yang diakibatkan berdifusinya unsur – unsur yang berada pada substrat menuju ke coating (Jones, 1989)

• Didapatkan retakan dengan fenomena intergranular cracking pada penampang radial dan terdapat fenomena creep dan void

• Untuk pengamatan pada struktur mikro, pada batas butir ditemukan adanya lapisan film dari karbida dengan ketebalan 1.5-3 μm

• Terjadi dekohesi antara karbida dengan struktur sekitarnya

• Ditemukannya void pada batas butir menyebabkan timbulnya perbedaan konsentrasi tegangan pada material

• Hasil identifikasi komposisi kimia, menunjukkan sudu turbin ini sudah memenuhi ASM Standard

• Tensile Stress yang bekerja pada lokasi penampang sudu turbin yang patah sebesar 36.98 MP

Saran

• Apabila retakan sudah menembus ke dalam base metal, maka dapat disimpulkan bahwa umur dari sudu turbin tersebut sudah habis sehingga tidak memungkinkan bila dilakukan proses peremajaan ataupun perawatan (recoating, heat treatment). Jalan satu – satunya adalah dengan mengganti sudu turbin dengan yang baru

• Apabila retakan sudah mencapai base metal, maka diharapkan untuk segera mengganti sudu turbin tersebut. Jika tidak, maka kerusakan yang lebih besar akan terjadi akibat patahan sudu turbin akan menghantam sudu turbin yang lain dan bisa mengakibatkan turbin rusak.

• Untuk meningkatkan umur dari sudu turbin, maka sebisa mungkin sistem proteksi berupa lapisan harus ditingkatkan kualitasnya untuk mengurangi efek dari gradient termal antara bagian luar dan dalam sudu turbin

• Dari laporan CF6-80C2B1F HPT Stage 1 Blade Project oleh Kusuma Jaya Wardhana, diketahui bahwa perkiraan umur dari beberapa sudu turbin berkisar antara 11500 – 19400 jam, sehingga apabila umur sudu turbin sudah mencapai 15000 jam sebaiknya dilakukan penggantian

• Sebaiknya digunakan bahan bakar dengan kandungan yang murni, supaya meminimalkan unsur inklusi pada sudu turbin

• Sebelum dilakukan proses pelapisan, sebaiknya dilakukan proses pembersihan terlebih dahulu pada permukaannya, karena jika tidak dilakukan akan menyebabkan terjebaknya unsur inklusi di dalam lapisan sehingga tidak memaksimalkan sifat adhesinya

• Terdapat kesamaan tipe kerusakan bila dibandingkan penelitian –penelitian yang lain yaitu diawali dengan terkelupasnya lapisan pada bagian tengah airfoil setelah itu baru muncul retakan, sehingga dibutuhkan pengawasan khusus di bagian tengah airfoil pada bagian concave (cekung)

*)

*) Mazur Z, Luna-Ramirez A, Juarez-Islas JA, Campos-Amezcua A. 2005. Failure Analysis of A Gas Turbine Blade

Made of Inconel 738LC Alloy. Eng Fail Anal;12:474–86