Lapisan Keramik Hightemp Memajukan Teknologi Semprot Termal

Dalam aplikasi industri modern, material menghadapi lingkungan kerja yang semakin keras di mana kondisi ekstrem seperti suhu tinggi, tekanan, korosi, dan keausan menghadirkan tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Untuk memenuhi tuntutan ini, para ilmuwan dan insinyur terus mengeksplorasi material keramik canggih yang menunjukkan ketahanan panas, perlindungan korosi, dan daya tahan aus yang luar biasa. Di antara lapisan semprot termal, keramik cordierite, mullite, dan forsterite telah muncul sebagai solusi yang sangat menjanjikan karena keunggulan kinerja mereka yang unik.

Penyemprotan termal merupakan teknik rekayasa permukaan yang mengendapkan material yang meleleh atau setengah meleleh ke substrat untuk membuat lapisan fungsional. Dibandingkan dengan metode pelapisan tradisional, penyemprotan termal menawarkan penerapan yang lebih luas, pemilihan material yang beragam, dan pemrosesan yang fleksibel – secara signifikan meningkatkan sifat substrat termasuk ketahanan aus, perlindungan korosi, dan stabilitas termal.

Material keramik memberikan beberapa keuntungan penting dalam aplikasi semprot termal:

• Ketahanan panas yang luar biasa: Keramik mempertahankan integritas struktural pada suhu tinggi karena titik leleh dan stabilitas termal yang tinggi
• Ketahanan korosi yang unggul: Mereka menunjukkan kelembaman kimia yang sangat baik terhadap asam, alkali, dan garam
• Ketahanan aus yang luar biasa: Kekerasan tinggi mereka memberikan perlindungan tahan lama terhadap abrasi mekanis
• Isolasi listrik: Keramik tertentu berfungsi sebagai bahan dielektrik yang efektif dalam elektronik

Sifat-sifat ini membuat keramik semprot termal sangat diperlukan di industri dirgantara, otomotif, energi, pemrosesan kimia, dan elektronik.

Cordierite (Mg₂Al₄Si₅O₁₈) menonjol di antara keramik semprot termal karena koefisien ekspansi termal yang sangat rendah dan ketahanan terhadap guncangan termal yang luar biasa. Struktur kristal ortorombik pseudo-heksagonalnya mengandung ruang hampa yang signifikan, yang berkontribusi pada kepadatan rendah 2,53 g/cm³ dan titik leleh 1470°C.

Koefisien ekspansi termal (CTE) rata-rata material berkisar antara 1,5-4,0 × 10^-6°C^-1 dari 25-700°C, dengan cordierite semprot plasma mengukur 2,94 × 10^-6°C^-1. Ekspansi ultra-rendah ini meminimalkan tekanan termal selama fluktuasi suhu yang cepat, mencegah retak dan kegagalan struktural.

Ketahanan guncangan termal cordierite memungkinkan berbagai aplikasi:

• Turbin dan mesin gas: Berfungsi sebagai lapisan penghalang termal (TBC) untuk mengurangi suhu komponen
• Elektronik: Memproduksi isolator frekuensi tinggi dan bahan dielektrik microwave
• Tahan api: Tahan terhadap kondisi ekstrem dalam tungku industri
• Peralatan konsumen: Digunakan dalam pelapis oven microwave dan elemen pemanas

Paten Eropa menjelaskan metode untuk membuat lapisan cordierite berpori melalui penyemprotan termal. Studi mengungkapkan cordierite semprot plasma awalnya membentuk struktur amorf yang mengkristal menjadi μ-cordierite di atas 830°C, berubah secara ireversibel menjadi high-cordierite di dekat 1000°C.

Mullite (3Al₂O₃·2SiO₂) mempertahankan stabilitas termal dan kimia yang luar biasa di seluruh rentang suhu kristalinya tanpa transformasi polimorfik yang menyebabkan perubahan volumetrik. Struktur kisi ortorombiknya menunjukkan kepadatan 3,0 g/cm³, titik leleh 1810°C, dan CTE 5,3 × 10^-6°C^-1.

Ikatan Al-O dan Si-O yang kuat memberikan kekerasan dan kekuatan mekanik yang tinggi, sementara ketahanan mulur yang sangat baik memungkinkan kapasitas penahan beban pada suhu tinggi.

Stabilitas mullite mendukung aplikasi penting:

• Pelapis tungku suhu tinggi: Tahan terhadap erosi logam cair dan terak dalam proses metalurgi
• Produk tahan api: Memproduksi batu bata tahan api dan coran untuk lingkungan ekstrem
• Komponen dirgantara: Memfabrikasi nosel mesin roket yang membutuhkan ketahanan guncangan termal
• Komposit matriks keramik: Meningkatkan sifat mekanik dan termal sebagai fase penguat

Penelitian NASA mengkonfirmasi TBC mullite menunjukkan ketahanan guncangan termal yang unggul di bawah 1100°C, meskipun transformasi fase SiO₂ menyebabkan degradasi di atas 1200°C. Pengujian mesin diesel menunjukkan lapisan mullite mengembangkan lebih sedikit retakan daripada alternatif berbasis zirkonia di bawah siklus termal yang identik.

Forsterite (Mg₂SiO₄) menunjukkan kekuatan mekanik yang tinggi dan tangen rugi yang rendah, menjadikannya ideal untuk aplikasi listrik frekuensi tinggi. Forsterite industri biasanya ada sebagai fase enstatit dengan struktur ortorombik, kepadatan 3,21 g/cm³, dan titik leleh 1557°C.

Ikatan Mg-O dan Si-O yang kuat berkontribusi pada kekerasan yang luar biasa, sementara rugi dielektrik yang sangat rendah memastikan transmisi sinyal frekuensi tinggi yang efisien.

Forsterite memainkan peran penting dalam:

• Isolator frekuensi tinggi: Mempertahankan integritas sinyal dalam peralatan komunikasi
• Komponen radio: Memfabrikasi induktor dan kapasitor untuk sistem nirkabel
• Substrat elektronik: Memungkinkan papan sirkuit berkinerja tinggi yang terukur

Deposit forsterite semprot plasma mengandung fase amorf dengan struktur lamellar yang kurang berbeda daripada keramik alumina atau zirkonia. Perlakuan anil mengubah komposisi fase dan sifat ekspansi termal, meskipun kinetika kristalisasi memerlukan penyelidikan lebih lanjut.

Kemajuan berkelanjutan dalam teknologi semprot termal akan memperluas aplikasi untuk keramik khusus ini:

• Mengoptimalkan parameter semprotan untuk meningkatkan kepadatan dan adhesi lapisan
• Mengembangkan formulasi keramik baru dengan sifat yang lebih baik
• Menyelidiki mekanisme kegagalan dalam kondisi ekstrem
• Menjelajahi aplikasi di bidang-bidang baru seperti energi terbarukan dan perangkat biomedis

Melalui inovasi yang berkelanjutan, keramik semprot termal cordierite, mullite, dan forsterite akan terus memberikan perlindungan yang andal untuk komponen industri penting yang menghadapi tantangan operasional ekstrem.