THERMAL SPRAY

THERMAL SPRAY

Pengertian Thermal Spray

Prinsip dasar dari proses thermal spray adalah pembentukan lapisan dengan permanen dengan meleburkan suatu material dalam suatu ruang pembakaran, kemudian dari ruang  pembakaran ini material disemprotkan ke atas permukaan substract dan kemudian menempelkannya di atas substrat.

Mekanisme ikatan pada suatu permukaan dalam thermal spray adalah sama dengan melapisi, yakni mechanical interlocking dan interaksi antar atom dengan penyebaran kekuatan ikatan sekitar 7 MPa (10 ksi).  Ketebalan lapisan berkisar antara 25 µm sampai dengan 2500 µm.

Jenis-jenis Thermal Spray

Thermal spray diklasifikasikan ke dalam beberapa jenis berdasarkan pada jenis bahan bakar, jenis target dan cara meleburkan target. Secara umum semua proses thermal spray memiliki prinsip dasar yang sama yaitu: peleburan target berupa (bubuk atau kawat) dalam ruang pembakaran kemudian mempercepatnya dengan kecepatan tinggi untuk ditumbuk ke permukaan substrat.  Lapisan terbentuk ketika jutaan partikel menempel pada substrat secara tumpang tindih.

Partikel-partikel ini terikat oleh substrat dengan ikatan mekanik maupun ikatan logam.  Secara umum skema thermal spray dapat dilihat pada gambar berikut.

Skema thermal spray

Material yang digunakan sebagai pelapis berupa bubuk atau kawat yang dapat berasal dari logam, keramik atau karbida. Metode pelapisan yang biasa digunakan adalah Plasma, busur, pijar, dan HVOF. Daerah peleburan memiliki suhu sangat tinggi, percikan material dibawa dengan udara yang bertekanan tinggi menuju substrate.

Berikut ini menjelaskan tentang masing-masing jenis thermal spray.

1.         Flame Spraying (FLSP)

FLSP merupakan proses thermal spray yang paling tua.  Proses thermal spray ini menghasilkan suhu campuran bahan bakar Oxyacetylene sekitar 2.760 °C untuk meleburkan target yang berupa bubuk, batang atau kawat.  Kecepatan aliran material yang berupa kawat didorong menuju nyala api (flame) dan dengan tekanan oksigen yang tinggi digunakan untuk mengotomatiskan logam cair menjadi partikel-partikel kecil dan mempercepatnya menuju subtrate. Skema flame spray dapat dilihat dalam gambar berikut.

Skema FLSP

            Paduan bahan bakar dan oksigen yang bertekanan tinggi menghasilkan pijaran api yang suhunya sangat tinggi sekitar 3000°C.  Kawat  didorong maju menuju flame dan melebur, tekanan oksigen dan tekanan udara mendorong logam cair menjadi partikel kecil yang dipercepat menuju substrate.

2.         Plasma Arc Spraying (PSP)

PSP dapat menghasilkan suhu sekitar 16.650°C (30.000°F) untuk meleburkan bubuk.  Lapisan yang dibuat dengan PSP lebih padat, porositasnya rendah dan adhesinya lebih kuat dibandingkan dengan  FLSP.  Prosesnya adalah energi panas dari busur listrik yag beroperasi pada 40 kW atau 80 kW bersama dengan suatu gas pembentuk plasma, baik nitrogen atau argon, digunakan untuk mencairkan dan menembakkan material pelapis pada kecepatan tinggi sekitar 600 m/detik kepada material yang akan dilapisi (substrate). Skema busur plasma spray dapat dilihat pada gambar berikut.

Skema dari proses pelapisan dengan busur plasma

            Gas pembentuk plasma berupa nitrogen atau argon disudutkan dengan tegangan DC antara 40kV – 80kV hingga terbentuk plasma. Suhu ujung suluh sekitar 16.650 °C dan bubuk cair disemprotkan dengan kecepatan sekitar 600 m s^-1.

3.         Electric Arc Spraying (AESP)

Motor menggerakkan kawat bermuatan listrik dengan berbeda potensial 18 sampai 40 Volt melalui suluh (gun) menuju ujung temu pada kepala suluh dimana busur listrik menciptakan  suhu melebihi 6.000°C, seperti terlihat pada gambar. Udara yang bertekanan mengotomatiskan material pelapis yang sudah cair dan menembakkannya kepada permukaan yang akan dilapisi.  Skema busur listrik spray dapat dilihat pada gambar berikut

Skema proses pelapisan dengan busur listrik

Ujung-ujung kawat diberi beda potensial sebesar 18-40 kV.  Temperatur ujung suluh mencapai 6.000°C, udara dengan tekanan tinggi mengotomasikan pelapis yang sudah cair dan mendorong keluar dengan kecepatan tinggi.

4.         Detonation Gun (d-Gun)

D-Gun  melelehkan bubuk dalam suluh dengan letupan sundut pada gas yang mudah menyala (spark ignition of explosive gas).  Skema busur plasma spray dapat dilihat pada gambar berikut.

Skema proses pelapisan dengan suluh detonasi

Paduan bahan bakar dan oksigen yang diledakkan dengan busi, bubuk dialirkan bersama dengan gas nitrogen dan didorong menuju ujung suluh dengan kecepatan tinggi.

5.         High Velocity Oxygen Fuel (HVOF)

HVOF adalah thermal spray yang menggunakan pembakaran gas, seperti hydrogen atau bahan bakar cair seperti kerosene.  Bahan bakar dan oksigen dicampur dan mengubahnya dalam ukuran yang sangat kecil dalam ruang pembakaran di bawah kondisi yang terkontrol pembakarannya maupun tekanannya.

Proses ini menghasilkan kecepatan sangat tinggi yang digunakan untuk mendorong partikel guna mendekati kecepatan suara (supersonic) sebelum menumbuk substrat.  Skema proses pelapisan dengan HVOF tampak pada gambar berikut.

Skema proses pelapisan dengan suluh HVOF

Paduan antara oksigen dan bahan bakar (methana, propana) yang teratomisasi disundut dengan api dan menghasilkan temperature yang mendekati 3.000°C.  Bubuk disemprotkan ke dalam ruang pembakaran dengan menggunakan nitrogen dan meleleh.  Udara dengan tekanan tinggi yang dipadu dengan oksigen yang tekanannya terkontrol menghasilkan gumpalan-gumpalan bubuk cair berbentuk intan dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Dari kelima proses thermal spray yang sudah dijelaskan maka kita dapat diklasifikasikan menjadi 3 bagian, yaitu berdasarkan proses, bentuk material dasar proses thermal spray dan berdasarkan sumber energi. Klasifikasi proses thermal spray dapat dilihat pada tabel berikut ini

Klasifikasi proses thermal spray

Proses	Bentuk Target	Sumber Energi
Flame Spraying (FLSP)	Serbuk, batang, kawat	Oxyacetylene flame
Plasma Arc Spraying (PSP)	Bubuk	Plasma gun
Electric Arc Spraying (EASP)	Kawat (motor driven)	Busur listrik (Electric etc)
Detonation Gun (d-Gun)	Bubuk	Spark Ignition of Explosive Gas Gun
High-Velocity Oxy/ Fuel (HVOF)	Bubuk	Oxygen, Hydrogen, Fuel, E.g, Methane, Combustion Chamber

Prosess yang paling banyak digunakan dalam dunia industri yaitu proses electric arc spraying atau sering disebut proses arc sprayed.  Proses arc sprayed memanfaatkan kawat paduan yang digerakan oleh motor driven dan sumber energi yang dimanfaatkan adalah energi listrik.