Investment casting technology for production

of TiAl low pressure turbine blades –

Jurnal Review

OlehYudi Prasetyo, 0806455950

of TiAl low pressure turbine blades –

Process engineering and parameter analysis

Pendahuluan� Pada jurnal ini sebenarnya membahas mengenai investment

casting technology untuk memproduksi turbine blade padapesawat. Namun, karena kualifikasi kebutuhannya samadengan kebutuhan steam turbine blade dan gas turbine blade pada plasma arc technology (aplikasi di bidang energi), makasaya akan mengulas jurnal ini mengenai aspek manufakturserta parameter/kondisi yang terkait dengan proses.

Plasma Arc TechnologyPlasma Arc Technology

Plasma Arc Technology

• Merupakan busur listrik stabil yang dilepaskan melalui aliran gas untuk menghasilkan temperatur tinggi yang mampu mendekomposisi atau menguraikan secara thermal material-material yang dianggap sebagai sampah atau tak bernilai guna sehingga menghasilkan material baru dan energisehingga menghasilkan material baru dan energiyang tinggi.

Plasma Arc Technology Characteristics

Dapat memproses semua jenis tipe material.

Temperaturnya sekitar 4,000°C – 7,000°C.

Energi yang dihasilkan 100 kW – 200 MW.

Menghasilkan densitas energi yang tinggi (hingga 100MW/m3)MW/m3)

Operasinya dengan gas dan bukan dengan proses pembakaran

Mengeliminasi kebutuhan udara untuk pembakaran

Skema Plasma Arc Technology

mem

buth

kan

blad

ese

pert

ipad

aju

rnal

Turb

inya

ng m

embu

thka

nse

pert

i

Plasma Arc Process

Limbah-limbah berbahaya/beracun dihancurkan sifat racunnya pada temperatur tinggiracunnya pada temperatur tinggi

Limbah-limbah organik dapat di-pyrolyzed atau diuapkan atau dikonversikan menjadi sumber energi dalam bentuk gas

Material anorgaik dan logam yang tidak mudah menguap Material anorgaik dan logam yang tidak mudah menguap dilebur dalam molten pool

Residual materials seperti radionuclides, logam berat, dll dapat dilakukan vitrifikasi

Mekanisme Recycling

GASIFICATION

Cyclone dan dust collector berfungsi sebagai penyaring

Syn-Gas yang mungkin

Hydrogen sulphur yang mungkin terbentuk bisa di-treatment lebih lanjut untukGASIFICATION

Municipal solid waste (MSW) dimasukkan ke dalam plasma arc reactor, dimana terdapat plasma dengan temperature

14000oC-20000oC.

Heat exchanger diperlukanuntuk menurunkan temperaturgas menjadi sekitar 200 oC �

mencegah terjadinya dioxin

Syn-Gas yang mungkinbercampur dengan

metal/anorgaik particle

treatment lebih lanjut untukmenghasilkan sulphur.

Material limbah organik diubah menjadi molekul-molekul sederhana seperti hidrogen, karbon monoksida, karbon

dioksida, dan metana (Syn-Gas)

Gas-gas yang terbentuk dariPlasma Arc Reactor tersebutdengan suhu sekitar 1200oCkemudian masuk ke dalam

secondary chamber

Reaksi-reaksi pada Reaksi-reaksi pada proses gasifikasi

CxHy + O2 �

2CO + H2C + O2 � 2CO

C + H2O �

CO + H2CO + H2

Eksotermis

2C + O2 � 2CO

EksotermisCO + H2

Endotermis

VITRIFICATION

Limbah anorganik melebur karena temperatur yang

diberikan oleh plasma jauh diatas titik leburnya

Untuk logam, lelehannya dapat dialirkan untuk

kemudian diolah menjadi solid product (ingot)

Sebagian kecil material anorgaik telah jauh melewati titik leburnya dan berubah

fasa menjadi fasa gas dan ikut terbawa bersama Syn-Gas

Gas-gas material anorgaik tersebut terbawa masuk ke dalam secondary chamber untuk selanjutnya diolah

dengan water cooling system

Pada water cooling system, gas tsb terkondensasi menjadi partikel-patikel yang halus

yang dapat digunakan sebagai penguat beton

Ulasan JurnalUlasan Jurnal

Turbine Blade� Pada aplikasinya sebagai komponen pada steam turbine dan

gas turbine, trubine blade memiliki sifat utama yang harusdipenuhi yaitu dapat diaplikasikan pada temperatur yang dipenuhi yaitu dapat diaplikasikan pada temperatur yang tinggi, tangguh, serta ductile pada temperatur ruang.

� Salah satu paduan yang memenuhi kriteria tersebut adalahpaduanTitanium-aluminides (TiAl).

� Rute proses untuk memproduksi komponenTiAl pada jurnalini adalah dengan metode centrifugal investment casting menggunakan mesin Leicomelt 5 TP.

Fig. 1. Leicomelt 5 TP Centrifugal casting concept. Melting capacity: 8.0 kg; Superheat: ∆T ≈ 20-60 K; Process duration: 20 min; Very low oxygen

pick-up; up to 350 RPM.

Keuntungan Centrifugal Casting� Lebih padat

� Struktur butir halus

� Sifat fisik lebih baik dari metode casting statis

� Permukaan yang lebih halus

� Dapat menghasilkan produk tipis, tanpa problem

� Dapat digunakan untuk kebanyakan paduan

� Sifat mekanik hampir sama pada seluruh arah

� Ukuran produk fleksibel� Ukuran produk fleksibel

� Yield (rasio berat casting dengan berat total logam) tinggi.

� Kualitas casting mendekati kualitas tempa

Variabel yang mempengaruhi proses

centrifugal casting

1. Kecepatan rotasi

2. Temperatur penuangan2. Temperatur penuangan

3. Kecepatan penuangan

4. Temperatur cetakan

Proses Dasar pada Centrifugal Casting

1. Membuat cetakan

2. Coating pada cetakan2. Coating pada cetakan

3. Pouring

4. Pendinginan

5. Proses pengeluaran produk dari cetakan

Alloying Elements� Untuk meningkatkan sifat ketahanan temperatur tinggi dan

ductility pada temperatur ruang, unsur paduan selain Al perluditambahkan untuk membentuk fasa intermetalik padaTiAl.

� Adapun komposisiTiAl yang digunakan untuk membuatturbin blade adalah sebagai berikut:

Ti – (45-49)Al – (0-4)Cr, Mn, V – (0,5-10)Nb, W, Mo, Ta – (0-1)B, C, Si

Fig. 2. Modified TiAl Phase diagram from Witusiewicz et al. (2008).

TiAl Casting Alloys� Sasaran utama dari pengembanganTiAl generasi pertama adalah

kekuatan pada suhu tinggi dan ductility pada suhu ruang

� Pada generasi kedua pengembangan paduanTiAl mulai meluaskepada sifat ketahanan korosi dan creep pada suhu tinggi.

� Kemudian pada generasi ketiga, ada penambahan kandunaganniobium yang tingi, dimana niobium tersebut memberikan sifatpada komponen casting menjadi lebih mudah di-machining.pada komponen casting menjadi lebih mudah di-machining.

� Selanjutnya penambahan sedikit boron menghasilkan strukturmikro lamellar dengan butir yang lebih halus.

Melting TiAl� LelehanTiAl sangat reaktif dan harus diproses pada keadaan vakum

atau dengan gas argon menggunakan krusibel yang inert. Tujuannya adalah untuk menghindari terbentuknya reaksi antaraTujuannya adalah untuk menghindari terbentuknya reaksi antaraoksigen atau nitrogen dengan lelehan yang dapat mengakibatkannilai ductility menurun.

� MelelehkanTiAl dengan atmosfer gas argon (keadaan tidak vakum) harus dilengkapi dengan ventilasi yang cukup untukmenghilangkan porositas karena gas yang terjebak.

� Penggunaan krusibel keramik dengan pelapisan yttriamemungkinkan kontrol yang lebih baik dan mencapai superheating lebih tinggi.

Fig. 3. Influence of oxygen (a) and nitrogen (b) on yield strength (Re) and ductility (A) of FL microstructures at RT. Nitrogen values are valid for constant Oxygen content of 1000 ppm.

Investment casting of TiAl� KebanyakanTiAl diproduksi dengan investment casting.

� Alasan digunakannya investment casting:� Temperatur transisi brittle-ductile yang tinggi

� Narrow solidification range

� Kemungkinan reaktifitas lelehan dengan material cetakan selamaproses solidifikasi lebih kecil

� Harga machining lebih rendah� Harga machining lebih rendah

� Waktu untuk machining lebih cepat

Proses Investment Casting

Process qualification� Kualifikasi dimulai dengan desain pengecoran berdasarkan gambar

CAD dari komponen.

� Aspek pertama yang dipertimbangkan adalah penyusutan selama pengolahan.

� Penyusutan dibagi menjadi tiga langkah selama proses:� Penyusutan wax dari pola selama produksi� Penyusutan keramik selama firing cetakan� Penyusutan logam selama solidifikasi� Penyusutan logam selama solidifikasi

� Setelah penyusutan total dimensi dihitung kemudian dimodifikasidesainnya untuk mendapatkan hasil yang maksimal.

� Selain akurasi dimensi, kualitas permukaan juga harusdiperhatikan.

� Karena tuntutan kualitas permukaan yang baik dan reaktivitas lelehanTiAl terhadap oksida keramik, maka perlu menggunakan yttria untuk lapisan cetakan.

� Untuk memenuhi kualitas produk yang baik, maka ada� Untuk memenuhi kualitas produk yang baik, maka adabeberapa pengecekan yang harus dilakukan, seperti akurasidimensi, inspeksi visual, cacat internal, deteksi retak dankekasaran permukaan.

Fig. 4. Process steps of investment casting process as developed for qualifying a process route for TiAlcomponents.

Fig. 5. TiAl low-pressure turbine blade ready for delivery and its corresponding porosity free x-ray picture.

Kesimpulan� Proses investment casting untuk komponenTiAl cukup

panjang dan rumit. Ia membutuhkan pengontrolan yang sangat baik dan pemeriksaan teliti dalam urutan untukmencapai kualifikasi produk casting yang dibutuhkan.

� Tidak hanya kualitas, reproducibility dan ketahanan jugamerupakan aspek utama dalam mencapai keberhasilan.

Referensi Utama� Julio Aguilar, Andre Schievenbusch, Oliver Kattlitz. Investment

casting technology for production of TiAl low pressure turbine blades - Process engineering and parameter analysis. Intermetallicsblades - Process engineering and parameter analysis. Intermetallics19 (2011) 757-761.

� Bambang Priyono. Kuliah 6 Technology Recycling Material “Plasma Arc”. DepartemenTeknik Metalurgi dan Material FTUI. 2010.

� Bambang Suharno. Kuliah 8 Alloy Steel Casting. DepartemenTeknik Metalurgi dan Material FTUI. 2011.

� Bambang Suharno. Kuliah 9 Special Casting & Future � Bambang Suharno. Kuliah 9 Special Casting & Future Development of Metal Casting Technology. DepartemenTeknikMetalurgi dan Material FTUI. 2011.

Referensi pada Jurnal[1] Kestler H, Clemens H. Herstellung, Verarbeitung und Anwendung von g(TiAl)-

Basislegierungen. In: Peters M, Leyens C, editors. Titan und Titanlegierungen. WILEY-VCH Verlag; 2002. p. 269e396. Seite.

[2] WitusiewiczVT, Bondar AA, Hecht U, Rex S, VelikanovaT Ya. The Al-B-Nb-Ti [2] WitusiewiczVT, Bondar AA, Hecht U, Rex S, VelikanovaT Ya. The Al-B-Nb-Ti system III. Thermodynamic re-evaluation of the constituent binary system Al-Ti. Journal of Alloys and Compounds 2008;465:64e77.

[3] Schuster JC, Palm M. Reassessment of the binary Aluminium-titanium phase diagram. Journal of Phase Equilibria and Diffusion 2006;27:255e77.

[4] Kim YW. Ordered intermetallic alloys. Part III: gamma titanium aluminides. Journal of Management 1994;46(7):30e9.

[5] Bala Wortberg D. Feinguss von Turbinenrädern aus TiAl. Harburg: Promotion, TU Hamburg; 2003.TU Hamburg; 2003.

[6] Schädlich-Stubenrauch J. Entwicklung einer Schleuderfeingiesstechnologie für kleine, dünnwandige und filigrane Gussteile aus Titan und Titanlegierungen. Aachen: Promotion, Gießerei-Institut RWTH; 1989

Terima KasihTerima Kasih