Thermal spray

Thermal spray adalah proses pelapisan dengan  bahan  logam  maupun non logam pada benda kerja dengan cara penyemprotan material cair kepermukaan benda kerja dengan kecepatan tinggi dalam usaha meningkatkan sifat-sifat material. Sifat-sifat yang akan ditingkatkan adalah :

-          Daya tahan korosi

-          Daya tahan gores/aus

-          Daya kontak listrik

-          Mampu pantul/bias cahaya

-          Penyebaran rintangan

-          Daya tahan temperature tinggi

Pada proses thermal spray suatu material awal berbentuk batangan padat (wire atau solid rod) maupun bubuk (powder), seperti logam atau keramik, dicairkan dan disemprotkan dengan kecepatan tinggi menuju permukaan benda kerja. Sumber energi panas (thermal) diperoleh secara kimia, seperti melalui proses pembakaran udara / O2 dan bahan bakar, atau dengan listrik seperti menggunakan busur api (arc). Deposit hasil penyemprotan tadi akan membentuk suatu lapisan terdiri dari tumpukan-tumpukan splat (yaitu partikel individu berbentuk pipih) dari material awal dimana partikel-partikel pipih tersebut mempunyai kecepatan pendinginan tinggi, seperti ditunjukan pada gambar berikut ini

Seperti yang ditunjukan pada gambar 2.2, partikel-partikel akan menumbuk permukaan benda, menipis dan membentuk splat yang rapat, menempel dan mengunci terhadap satu sama lainnya. Pada saat partikel-partikel yang disemprotkan menumbuk permukaan, partikel tersebut akan membeku dan menumpuk lapis demi lapis, membentuk suatu lapisan (coating) berstruktur lamelar pada benda kerja.

Pada umumnya temperature benda kerja dapat dijaga pada 200°C atau kurang, untuk mencegah perubahan secara metalurgi pada material benda kerja. Secara skematis dapat dilihat pada gambar berikut ini (gambar 2.3) dimana hasil coating thermal spray berbentuk struktur lamellar terdiri dari berbagai komponen mikrostruktur yang mempengaruhi integritas hasil coating.

Lebih dari tiga dekade terakhir proses thermal spray telah memberikan konstribusi besar terhadap kemajuan teknologi untuk aplikasi industri, diantaranya industri aerospace yaitu aircraft engine, industri kimia, industri tekstil, industri otomotif sampai pada pengembangan jenis coating biomaterial untuk dunia kedokteran. Hasil pelapisan proses thermal spray dapat digunakan untuk memberikan fungsi penghalang panas (thermal barrier), perlindungan korosi, ketahanan temperature tinggi, ketahanan aus dan juga untuk perbaikan permukaan komponen-komponen berat yang terkena aus dimana penggantian komponen mesin akan sangat mahal.^[6]

Faktor-faktor yang mempengaruhi dalam proses thermal spray adalah :

-          Tekanan pada gas yang dialirkan

-          Kecepatan umpan

-          Jarak torch dengan benda kerja

-          Tekanan udara

Hal-hal yang harus diperhatikan dalam proses thermal spray :

-          Material grit harus bersih dan kering

-          Ukuran grit yang optimum adalah 60 mesh

-          Pressure yang digunakan selama proses blasting berkisar antara 45 – 90 Psi

-          Sudut dari nozzle blasting selama proses blasting adalah 60˚, dan bisa bervariasi antara 45˚ - 75˚.

-          Hilangkan debu-debu blasting dari permukaan part setelah proses blasting dengan menggunakan udara tekan kering

-          Udara tekan yang digunakan di area thermal spray harus diyakinkan kebersihannya dari kandungan air, oli, dan grease. Cek filter secara regular

-          Proses spray harus segera dimulai setelah permukaan part di blasting. Jeda waktu maksimum adalah 2 jam

-          Preheat base material dari komponen yang akan di spray pada temperatur 90 - 120˚C

-          Lakukan pengecekan temperatur dari permukaan part menggunkan pyrometer yang terkalibrasi

-          Part yang diletakan pada rotary table harus diputar dengan kecepatan 200 Rpm

  

Hal-hal yang tidak boleh dilakukan dalam proses thermal spray :

-          Jangan sentuh permukaan yang sudah di blasting, bila tersentuh maka proses blasting harus diulang kembali

-          Jangan menggunakan material grit berulang kali (reused) karena dikhawatirkan material grit telah kotor, terutama bila material tersebut telah digunakan pada komponen-komponen dengan jenis base metal yang berbeda

-          Jangan sampai ada area  yang kurang blasting atau belum cukup kekasarannya (biasanya ditandai dengan permukaan yang masih mengkilap dengan halus)

-          Jangan sampai terjadi over blasting, sehingga kekasaran permukaan yang diinginkan malah berkurang

Berbagai jenis proses thermal spray telah berkembang dan banyak digunakan di dunia industri dewasa ini. Berbagai contoh aplikasi umum proses thermal spray adalah sebagai berikut :

1.      Thermal spray coating untuk pengontrolan keausan material terhadap jenis-jenis abrasion, erosion dan fretting.

2.      Thermal spray coating untuk proteksi korosi dan perawatan infrastruktur terhadap jenis-jenis oksidasi, korosi gas panas dan korosi atmosfir.

3.      Thermal spray coating untuk aplikasi biomaterial pada tubuh manusia seperti implantasi tulang buatan (pin).

4.      Thermal spray coating untuk aplikasi insulasi panas (Thermal barrier coatings) pada ruang bakar engine dan perlindungan terhadap oksidasi terhadap gas panas.

5.      Thermal spray coating untuk permukaan dengan sifat tertentu seperti abradable coating untuk mengurangi celah antara ujung blade dan housing.

Karakteristik akhir serta sifat-sifat coating yang dihasilkan dari proses thermal spray sangat ditentukan oleh beberapa faktor penting, antara lain :

1.      Material awal : jenis, komposisi, bentuk dan ukuran bahan baku powder atau wire yang digunakan

2.      Parameter yang diset-up pada unit pengontrolan seperti : tekanan gas yang diberikan, besarnya tegangan dan arus listrik yang digunakan, kecepatan spray atau deposisi coating dll.

3.      Parameter pada operasi manual yang tergantung dari operator, seperti : pengaturan jarak spray, pengaturan sudut tembak dll.

4.      Tahapan persiapan permukaan benda kerja yang dilakukan sebelum proses thermal spray.

Namun demikian masih banyak parameter-parameter proses lainnya yang berpengaruh terhadap kualitas akhir coating. Pada proses plasma spray misalnya, di mana partikel-partikel powder “ditanam” (suspended) dalam suatu gas non-reaktif sebagai gas pembawa (carrier gas) untuk memasukan powder ke dalam nyala plasma, kecepatan carrier gas akan sangat berpengaruh selama proses thermal spray. Hal ini disebabkan karena pada saat proses, kecepatan carrier gas akan mempengaruhi kecepatan alir dari massa powder sebagai umpan dan kecepatan tersebut diatur sedemikian rupa untuk meyakinkan masuknya powder ke dalam bagian terpanas dari nyala plasma. Hal ini akan menjamin transfer panas yang efektif serta menjaga efek momentum yang tinggi pada partikel-partikel powder sehingga pada saat partikel-partikel tersebut menumbuk permukaan benda kerja kecepatannya masih tinggi. Selain itu hal penting lainnya adalah bentuk partikel yang berada dalam keadaan cair atau setengah cair pada saat tumbukan dan tidak overheat agar dapat membentuk coating yang padat.

Pembentukan coating hasil proses thermal spray diawali pada saat butiran-butiran partikel cair menumbuk permukaan part yang telah dipersiapkan sebelumnya, biasanya dengan cara pengkasaran menggunakan metoda grit blasting. Partikel cair akan menyebar dan membeku secara cepat pada permukaan benda kerja dan terkunci pada permukaan yang tidak rata. Partikel-partikel cair akan terus menerus terdeposisi ke permukaan material coating yang telah terdeposisi lebih dahulu, dengan kecepatan flux mencapai jutaan partikel cair per cm²/detik dengan ukuran partikel 10 – 100 µm. Pada saat penumbukan, butiran material coating yang cair akan memipih pada permukaan benda kerja yang bertindak sebagai “heat sink” (wadah panas). Partikel-partikel cair akan kehilangan energi kinetisnya karena bertransformasi menjadi energi panas dan deformasi. Suatu model mengenai “solidifying splat” yang memperlihatkan proses dinamis dari pembekuan partikel selama spray, diilustrasikan pada gambar 2.4 berikut ini, adalah hasil dari studi mengenai sifat-sifat partikel cair selama proses thermal spray menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) dan TEM (Tranmission Electron Microscope).