Blade Turbine Gas
yeri.kurniawan Rekan-rekan Migas, Berikut saya attached gambar Turbine Bucket Fr. 6. Adakah rekanrekan tahu/pernah ikut kursus atau melihat langsung ke pabriknya di sana, san a, ca cara ra pe pemb mbua uata tan n Tu Turb rbin ine e Bu Buck cket et st stage age #1 #1.. Ga Gamb mbar ar be beri rikut kut adalah gambar Turbine Bucket stage #1. Buck Bu cket et in inii me menar narik ik se seka kali li,, kar karen ena a se sela lain in me memp mpun unya yaii ke kema mapu puan an mena me nah han te tem mpe pera ratu turr sa sam mpai 1500-a -an n Ce Cell. Ju Juga ga me mem mpu puny nyai ai kemampuan menahan gaya cetrifugal yang tidak kecil (speed 5000 Rpm, radius radius 550 dan berat berat 2.6 kg). Menur Menurut ut diagram diagram Fase Fe-Fe3C, Fe-Fe3C, pada temperatur tersebut material yang bernama baja akan berfase cair. Ketangguhan material yang begitu tinggi ini setelah saya amati ada pada sistem pendinginan dan coating material yang menyelimuti air foil blade. Pertanyaan saya adalah: 1. Apa nama dan susunan unsur kimia dari material yang dipakai? 2. Sifat-sifat fisik material seperti apa yang dibutuhkan oleh bucket untuk bertahan pada temperatur tersebut? 2. Bagaimana cara membuat cooling holes 3. Ba Baga gaim iman ana a ca cara rany nya a men enem empe pelk lkan an si co coat atin ing g mat ater eria iall pa pada da per permu mukaa kaan n bc bcuk uket et? ? Pr Prep epar arat atio ion n apa ya yang ng di dipe perl rluka ukan, n, pr prose osesn snya ya seperti apa?
winarto Dear Yeri Kurniawan, Saya Say a ing ingin in sed sediki ikitt me membe mberi ri mas masuka ukan n men mengen genai ai mat materi erial al unt untuk uk Gas Turbin Blade Fr. 6 (frame 6) > Pertanyaan 1. Apa nama dan susunan unsur kimia dari material yang dipakai? Jawab: Material Mater ial yan yang g umu umum m dip dipakai akai unt untuk uk gas tur turbin bin bla blade de adal adalah: ah: nic nickel kel-base supe superal ralloy loys s ata atau u Cob Cobalt alt bas based ed sup super er all alloy. oy. Mat Mater erial ial tsb tah tahan an pada tem temper peratu aturr tin tinggi ggi dia diatas tas 10 1000 00 deg degre ree e cel celciu cius s (ba (bahka hkan n hin hingga gga 1450 deg C). Catatan Cat atan:: men mengen genai ai dia diagra gram m fas fasa a FeFe-Fe3 Fe3C C han hanya ya bis bisa a dip dipakai akai unt untuk uk menentukan fasa-fasa baja atau besi tuang dalam keadaan setimbang.
Sedang material Nickel atau cobalt based harus menggunakan diagram fasa tersendiri dari Ni dan Co based alloy. Nama paduannya dari Nickel based misalnya Inconel (IN-738) terdiri dari unsur 61.5 % Ni, 16% Cr, 8.5% Co, 1.8% Mo, 3.4% Al, 3.4% Ti, 2.6% W, 2% Nb, sisanya C, B dan Zr. Sedangkan Cobalt based misalnya stellite, Haynes dll. Proses pembuatan gas turbin blade adalah dengan proses vacuum melting denga metoda directionally solidified (DS) and single crystal (SX). Pertanyaan 2. Sifat-sifat fisik material seperti apa yang dibutuhkan oleh bucket untuk bertahan pada temperatur tersebut? Jawab: 1. 2. 3. 4. 5.
Tahan temperatur tinggi (creep resistance) Tahan fatik (fatigue resistance) baik LCF atau HCF Ketangguhannya tinggi (high toughness) Tahan terhadap oksidasi (High Temp Corrosion) Tahan aus (Wear Resistance)
> Pertanyaan 3. Bagaimana cara membuat cooling holes Jawab: Cooling Hole biasanya dibuat bersamaan pada saat proses penuangan (pouring of cast material) kedalam mold (cetakan) dengan membuat core (inti cetakan). Core ini nantinya sebagai cooling hole-nya. > Pertanyaan 4. Bagaimana caranya menempelkan si coating material pada permukaan bucket? Preparation apa yang diperlukan, prosesnya seperti apa? Jawab: Coating umumnya bertujuan untuk meningkatkan ketahanan material terhadap oksidasi dan thermal barrier. Coating yang dipakai biasanya ada dua lapis (layer) coating yaitu a sprayed-on aluminumbased layer, agar bersifat konduktif dan dilanjutkan dengan ceramicbased top layer yang berfungsi sebagai thermal barrier (penghalang). Adapun jenis bond coat adalah NiCrAlY sedang top coat adalah Yttriastabilized Zirconia. Prosesnya dengan menggunakan proses sbb:Plasma spray, CVD, EBVDP. Preparasinya umumnya telah ada di SOP-nya pada setiap proses tsb. Demikian semoga jawaban tsb diatas bermanfaat dan bila kurang jelas mungkin rekan milis migas lain-nya bisa menambahkannya. http://www.metal.ui.ac.id/cmpfa/introduction.html
yeri.kurniawan Pak Winarto, Terima kasih banyak atas responnnya, Pak Winarto dan rekan-rekan milis yang lain, Keingintahuan saya pertanyaanya?
masih
begitu
besar,...boleh
saya
lanjutkan
Bagaimana metode directionally solidified itu bekerja dan apakah hubungannnya dengan single crystal? Mengapa sebuah blade mesti Single Crystal? apa istimewanya sifat single cristal tersebut? bagaimana caranya mengecek keberadaan single crystal tersebut dalam sebuah blade? Apakah manufacturer blade (kira-kira) melakukan full inspection atau memakai metode sampling? Apakah single crystal artinya sama dengan only single grain present on the entire surface of the blade? Apakah welding operation yang dilakukan dalam rangka memperbaiki blades dapat menyebabkan perubahan struktur single crystal? Kalau ya, berarti setelah welding operation perlu dilakukan heat treatment khusus untuk mengembalikan struktur menjadi single crystal? Metode seperti apakah itu?
winarto Dear Kurniawan, Saya appreciate sekali dengan "keinginan tahu yang mendalam" (curiosity) dari saudara mengenai Material Gas Turbin Blade ini. Sebenarnya saya yang bertugas di Departemen Metalurgi FTUI ini, memberikan knowledge pada rekan-rekan di milis Migas kebanyakan dari literatur, video visual yang kami miliki dan beberapa dari tugas mahasiswa kami. Pertanyaan 1. Bagaimana metode directionally solidified itu bekerja? Jawabnya: (literature saya ambil dari buku : Kalpakjian & Schmid, "Manufacturing Engineering & Technology" 4th Edition, Prentice Hall, 2001, page. 290&291.)
Maaf saya langsung copy-pasta keterangan dari halaman tsb untuk mempersingkat waktu sbb: CASTING TECHNIQUES FOR SINGLE CRYSTAL COMPONENTS The techniques is used to cast single-crystal components such as gas turbine blades, which are generally made of nickel-based superalloys: a. Conventional casting of turbine blades. The conventional casting process uses a ceramic mold. The molten metal is poured into the mold and begins to solidify at the ceramic walls. The grain structure developed is polycrystalline. The presence of grain boundaries makes this structure susceptible to creep and cracking along the boundaries under the centrifugal forces and elevated temperatures commonly encountered in an operating gas turbine. b. Directionally solidified blades. In the directional solid on process, first developed in 1960, the ceramic mold is preheated by radiant heating. The mold is supported by a water-cooled chill plate. After the metal is poured into the mold, the assembly is slowly lowered. Crystals begin to grow at the chill-plate surface and up ward, like the columnar grains. The blade is thus directionally solidified, with longitudinal but no transverse grain boundaries. Consequently, the blade is stronger in the direction of centrifugal forces developed in the gas turbine. c. Single-crystal blades. In crystal growing, developed in 1967, the mold has a constriction in the shape of a corkscrew or helix, the crosssection of which is so small that it allows only one crystal to fit through. The mechanism of crystal growth is such that only the most favorably oriented crystals are able to grow through the helix because all others are intercepted by the walls of the helical passage. As the assembly is lowered slowly, a single crystal grows upward through the constriction and begins to grow in the mold. Strict control of the rate of movement is necessary. The solidified mass in the mold is a single-crystal blade. Although these blades are more expensive than other types, the lack of grain boundaries makes them resistant to creep and thermal shock, so they have a longer and more reliable service life. (Maaf gambar dari proses diatas tidak bisa saya lampirkan. Pertanyaan 2. Mengapa sebuah blade mesti Single Crystal? Jawabnya: mungkin dari pertanyaan ditas sebagian kecil terjawab. Untuk lebih jelasnya saya terangkan sbb:
telah
Mengingat blade ini dipakai pada temperature tinggi, single crystal lebih baik dibandingkan dengan poly-crystal karena batas butir (grain boundary) dari single crystal lebih sedikit dibandingkan polycrystaline. Pada temperature tinggi umumnya atom-atom tervibrasi sangat tinggi sehingga proses difusi (perpindahan) atom lebih dominan. Mengingat batas butir adalah merupakan cacat kristal (defect) atau tempat yang paling lemah (energynya paling rendah) dalam struktur crystal, akibatnya di tempat tsb mudah terjadi slip (pergeseran) antar crystal bila terkena deformasi. Dengan makin sedikitnya batas butir, material single crystal akan lebih tahan/kuat dalam menahan deformasi pada temperatur tinggi. Sehingga rumus Hall Petch yang menyatakan "makin halus butir akan lebih kuat" tidak berlaku pada material di temperature yang tinggi (elevated temperature). Itulah keistimewaan "Single-Crystal", selain itu single crystal juga banyak diaplikasikan pada pembuatan peralatan elektronik semikonduktor seperti Silicon Single Crystal yang dibuat dengan metoda Czochralski. Pertanyaan 3. Bagaimana caranya mengecek keberadaan single crystal tersebut dalam sebuah blade? Apakah manufacturer blade (kira-kira) melakukan full inspection atau memakai metode sampling? Jawab Untuk mengecek apakah single crystal atau tidak biasanya dipakai peralatan modern seperti salah satunya adalah TEM (Transmission Electron Microscope) dimana dari pengujian tersebut akan diperoleh material dengan crystal tunggal yang memiliki orientasi yang sama misalnya <001>. Dan ada beberapa peralatan modern lainnya. Mengenai metodanya saya belum bisa menjawab, mengingat sangat teknis sekali dan banyak parameter yang dipakai untuk pengambilan sampel seperti: produksi-nya masssal atau tidak, dll. Pertanyaan 4. Apakah single crystal artinya sama dengan only single grain present on the entire surface of the blade? Jawabnya: Ya Pertanyaan 5. Apakah welding operation yang dilakukan dalam rangka memperbaiki blades dapat menyebabkan perubahan struktur single crystal? Kalau ya, berarti setelah welding operation perlu dilakukan heat treatment khusus untuk mengembalikan struktur menjadi single crystal? Metode seperti apakah itu?
Jawabnya : Proses Welding umumnya melibatkan masukan panas yang tinggi (temperatur) untuk peleburan (melting), akibat panas tsb maka material akan mengalami perubahan struktur mikro misalnya rekristalisasi, pertumbuhan butir dll, selain itu akibat pengelasan akan menimbulkan tegangan sisa (residual stress) pada komponen tsb yang akhirnya menyebabkan keretakan (defect). Sehingga untuk memperbaiki turbin blade dengan metoda welding amatlah sulit prosedurnya (WPS) dalam mengembalikan struktur awal turbin blade. Selain itu biayanya menjadi berlipat akibat repair tsb. Heat treatment (yang umum dilakukan yaitu : solution heat treatment) tidak membantu dalam mengembalikan struktur single crystal tetapi proses tsb akan menghomogenkan struktur dendritik hasil proses casting. Banyak penelitian yang dilakukan untuk memperbaiki turbin blade ini dengan metoda pengelasan antara lain dengan Laser Powder Welding (LPW) yang dikembangkan oleh Sulzer Elbar di Belanda, sehingga dapat mengatasi permasalahan perubahan struktur dan mekanis turbin blade. Alamatnya di www.elbar.nl. Sebenarnya ada beberapa teknik reparasi yang saat ini sedang dikembangkan al: High Strength Diffusion Braze Repairs with 50% or More Base Material Laser Welding & Drilling - Smaller Heat Affected Zones Vacuum Plasma Spray Base Metal Build-Up/Restoration Electron Beam Vapor Deposition Base Metal Build-Up High Temperature (1800oF) Blade Metal Weld Techniques Note: REPAIR COSTS WILL DOUBLE & TRIPLE Demikian penjelasan bermanfaat.
yang
cukup
panjang
dari
saya
semoga
puji.mulyo Dear mas Winarto, Sangat senang sekali saya mengikuti materi diskusi yang anda uraikan dan saya Cukup ineteret dengan pengetahuan pada jawaban nomor 2 khususnya sifat physic material,Bila anda tidak keberatan bisakah kiranya memberi pecerahan /informasi sedikit tentang diagram Rate untuk Creep fatique, Low cycle fatique, dan High cycle fatique dalam hubungannya dengan Pressure dan temperature Trimakasih banyak atas infonya
Note: saya bekerja di power plant dengan Turbine dari Siem
winarto Dear Mas Puji Mulyo, Mohon maaf saya baru saat ini bisa menjawab pertanyaan Mas Puji di Paiton mengenai penjelasan kurva rate dari Creep-fatigue, Low Cycle Fatigue-LCF maupun High Cycle Fatigue-HCF. Sebelum saya menjelaskan tentang creep-fatigue, ada baiknya saya jelaskan dulu tentang kedua istilah tsb. Dalam konsep mekanika perpatahan (fracture mechanics), Fatigue (kelelahan) dan Creep (pemuluran) adalah dua gejala kerusakan (kegagalan) material yang berbeda. Fatigue (kelelahan) adalah kerusakan material yang diakibatkan oleh adanya tegangan yang berfluktuasi (siklik) yang besarnya lebih kecil dari tegangan tarik (tensile) maupun tegangan luluh (yield) material yang diberikan beban konstan. Sedangkan Creep (mulur) adalah deformasi (perubahan bentuk) permanen material fungsi terhadap waktu jika material tsb diberikan beban (tegangan) konstan pada temperatur tinggi (> 0.4*Temperatur Lelehan (K)). (Creep is a time-dependent and permanent deformation of materials when subjected to a constant load at a high temperature (> 0.4 Tm)). Dilihat mekanisme perpatahannya, mekanisme fatigue umumnya dimulai (di-inisiasi) dari permukaan material (surface) yang lemah atau adanya konsentrasi tegangan di permukaan (seperti goresan, notch, lubang-pits dll) yang selanjutnya merambat ke bagian tengah dan akhirnya patah secara tiba-tiba (catastrophic) tanpa atau sedikit sekali adanya deformasi plastis. Indikasi permukaan patahannya adanya beach-mark (garis pantai) secara makro atau adanya striations secara mikro (dengan SEM). Sedangkan mekanisme Creep diawali dengan adanya sliding (pergeseran) diantara butir-butir logam dan terjadi permanent deformasi (pengecilan penampang) selanjutnya patah. Fatigue sendiri dibagi menjadi LCF & HCF. Perbedaan kedua istilah tersebut dalam hubungannya dengan aplikasi di turbin gas adalah : Low cycle fatigue: high loads, plastic and elastic deformation (N<10^5), terjadinya akibat shock temperature pada saat turbin di "On-Off" atau "start-stop". Sedangkan High cycle fatigue: low loads, elastic deformation (N >10^5), terjadi akibat adanya variasi tekanan gas yang disebabkan oleh proses pembakaran (combustion). Untuk Blades atau Buckets umumnya terjadi High Temperature, High Centrifugal Loading (RPM) up to 100,000G, Creep, High Cycle Fatigue, Low Cycle Fatigue,
Hot Corrosion, and Oxidation. Pada beberapa aplikasi material temperatur tinggi misalnya untuk pembangkit tenaga (turbin) uap maupun gas, pengilangan minyak, peralatan pada industri kimia (seperti bejana tekan, reaktor-reaktor, boiler, cracking unit, juga pada penukar panas (heat exchanger), gejala Fatigue dan Creep bisa terjadi bersamaan yang istilahnya menjadi "fatigue-creep". Dalam kondisi seperti ini, umur (life) komponen ditentukan ditentukan oleh inisiasi dan pertumbuhan creep atau retakan fatigue. Pada fluktuasi beban yang tinggi dan atau temperatur yang relatif rendah, pertumbuhan crack (retakan) tidak tergantung pada waktu dan temperatur (seperti proses oksidasi dan relaksasi). Mekanisme tersebut didominasi oleh fatigue dan prosesnya sama seperti fatigue pada temperatur ruang. Sedang pada fluktuasi beban rendah dan atau temperatur relatif tinggi maka perambatan retak didominasi oleh creep. Jika dua kondisi ekstrem terjadi, fluktuasi beban tinggi dan temperatur relatif tinggi, maka kriteria untuk prosedur assesment kerusakan akibat creep-fatique adalah dengan menggunakan "Total Damage Comulative" yaitu penjumlahan damage akibat fatigue dan damage akibat creep (Df + Dc). Untuk contoh hasil penelitian serta assesment pada turbin blade bisa di download di alamat ini: http://criepi.denken.or.jp/eng/PR/Nenpo/2000E/00seika18.pdf Mengenai pertanyaan mengenai diagram rate khusus "creep-fatigue" (LCF dan HCF) terus terang saya belum bisa menjawab. Sebab selama ini di laboratorium kami, hanya memiliki peralatan creep dan fatigue yang didisain terpisah dan kebanyakan hanya menganalisa problem fatigue saja atau creep saja. Mengenai kombinasi keduanya belum pernah saya lakukan. Untuk diagram rate pada creep (maaf gambarnya tidak bisa saya lampirkan) biasanya bentuk kurva mulur ideal. Kemiringan pada kurva (de/dt ) tersebut dinyatakan sebagai laju mulur (creep rate). Mula-mula benda uji mengalami perpanjangan yang sangat cepat (primary), e0, kemudian laju mulur akan turun terhadap waktu hingga mencapai keadaan hampir seimbang (secondary), dimana laju mulurnya mengalami perubahan yang kecil terhadap waktu. Pada tahap akhir (tertiary), laju mulur bertambah besar secara cepat hingga terjadi patah.. Mekanisme yang terjadi pada tapan creep adalah sbb: Komponen pertama kurva mulur adalah kurva transien, dimana laju mulurnya turun terhadap waktu. Tahap ini disebut mulur primer dimana hambatan mulur bahan bertambah besar akibat pemulihan (recovery) dari deformasi yang terjadi. Komponen yang kedua adalah mulur viskos dengan laju mulur tetap. Tahap mulur yang kedua ini disebut mulur sekunder, adalah proses dengan laju mulur hampir
tetap. Hal ini disebabkan oleh terjadinya keseimbangan antara kecepatan proses pengerasan regang dan proses pemulihan (recovery). Oleh karena itu mulur sekunder biasanya dinyatakan sebagai mulur keadaan seimbang (steady state). Nilai rata-rata laju mulur selama terjadi mulur sekunder dinamakan laju mulur minimum. Tahap mulur ketiga atau mulur tersier terutama terjadi pada uji beban tetap pada temperatur dan tegangan-regangan yang tinggi. Mulur tersier terjadi apabila terdapat pengurangan efektif pada luas penampang lintang yang disebabkan oleh penyempitan setempat atau pembentukan rongga internal. Mulur tahap ketiga sering dikaitkan dengan perubahan metalurgi tertentu, seperti pengkasaran partikel endapan, rekristalisasi, atau perubahan difusi dalam fasa yang ada. Bagaimana dengan pengaruh temperatur pada creep maupun fatigue ? Secara umum kekuatan suatu logam akan berkurang jika temperaturnya meningkat. Selain itu temperatur yang tinggi mengakibatkan mobilitas dislokasi lebih besar melalui dislokasi panjat (climb). Konsentrasi tempat atom kosong (vakansi) juga bertambah besar jika temperaturnya naik. Akibatnya creep ratenya juga akan meningkat dan akhirnya material akan cepat mengalami kegagalan creep.(creep failure). Bagaimana dengan pengaruh Tekanan (pressure) pada creep-fatigue, khususnya pada aplikasi turbin ? Dari literatur yang saya peroleh bahwa pressure (tekanan) yang terjadi pada turbin gas erat kaitannya dengan "firing temperatur" (temperatur bakar) didalam turbin (sebenarnya hal ini perlu orang mechanical engineering yang sebaiknya menerangkan prosesnya secara thermodinamis terutama mengenai Brayton Cycle pada turbin). Dari data yang saya dapatkan dari alamat "GE Power Sistem", dapat di download pada http://www.ncad.net/CinerNo/ge6581b.pdf . Terlihat bahwa semakin tinggi "pressure ratio" maka "firing temperaturnya" akan semakin tinggi. Dengan meningkatnya temperatur maka akan mengakibatkan creep rate juga meningkat. FYI, ada beberapa penelitian turbin blade dengan parameter temperature dan proses pembentukan blade terhadap creeep rupture dapat di lihat di alamat dibawah ini: http://www.creeprupture.com/paper1.htm Demikian penjelasan saya mengenai creep-fatigue di temperatur tinggi, semoga bermanfaat. Serta mohon koreksi bila ada kesalahan.
puji.mulyo
Dear Mas Winarto, Terimakasih banyak atas informasinya, saya cukup dapat gambaran dari semua informasi anda yang sangat berguna untuk menambah wawasan saya, mungkin kalau Sedah membaca hasil down load, saya akan mohon pencerahan lagi, semoga anda tidak bosan. Sekali lagi trimakasih atas informasinya
rudi-s-rachmat Dear Mas Kurniawan Apa yang dijelaskan oleh Pak Winarto betul... hanya untuk memperjelas pertanyaan 1 untuk blade polikristal...cetakannya menggunakan ceramic yang berlapis lapis... kami namakan Investment casting, cara pembuatannya yaitu harus membuat pola blade dengan lilin tipe khusus...kemudian pola lilin tersebut dilapisi oleh flour ceramic dengan ukuran halus GFN 350, tebalnya kira 5 mm, kemudian dikeringkan 24 h dalam temperatur kamar, setelah kering dilapisi lagi oleh ceramic GFN 250 kemudian dikeringkan lagi, dilapisi lagi oleh yang lebih halus, kemudian terakhir dilapisi lsampai GFN 70 paling kasar untuk permukaan luar. setelah kering.dipanaskan kembali cetakannya untuk mengeluarkan lilinnya. Sebelum dituangkan logam cair baik Super alloy atau logam lainnya...cetakan tersebut dipanaskan kembali sampai diatas 1100C, hal ini akan menghasilkan pembekuan perlahan-lahan tanpa ada shock temperatur, hasilnya butir logam tersebut akan besar dibandingkan dengan penuangan pada saat temperatur kamar. Untuk directionally solidified kami disini memakai cara yang sama yaitu investment casting tetapi memakai material chill untuk mengarahkan pembekuan, Dimana pada saat logam cair masuk pertama kali bersentuhan dengan material chill, saat itu juga permukaannya logamnya membeku dengan cepat dan mengarah kepada cetakan yang tanpa chill. Kemudian untuk single kristal... kami disini memakai cetakan yang sangat panas, kemudian pada saat logam cair dituangkan ke dalam cetakannya diberikan elektro magnetik kepada logam dalam cetakan tersebut sehingga dicegah terjadinya pembekuan polikristal. Untuk pembuatan blade dari Nickel Base Alloy dan Cobalt Base Alloy, memerlukan vacuum furnace karena harus sampai tekanan 10 pangkat minus 7 torr, tetapi untuk blade dari stainless steel atau copper base seperti untuk sudu air bias digunakan tungku induksi biasa
Sekian tambahan dari saya semoga ada manfaatnya
