Piesele de motor care sfidează legile universului

De fiecare dată când zburăm, în motoarele aeronavei are loc o adevărată probă de rezistență. Ascunse în nacelele elegante, sute de palete mici de turbină suportă solicitări mecanice enorme și temperaturi de peste 1.500°C.

Este o minune inginerească. Iar aceste palete rezistente nu sunt sculptate sau tăiate din materialul lor: ele sunt „crescute”.

În anii 1960, inginerii au găsit o metodă de a turna un aliaj metalic topit în forma unei palete de turbină, apoi de a-l răci cu multă grijă, dintr-un capăt în celălalt, pe parcursul mai multor ore. În timpul acestei solidificări lente și delicate se formează un singur cristal, sau grăunte, de aliaj metalic.

Procesul seamănă cu transformarea unei căni cu apă într-un singur fulg mare de zăpadă, creat după un model ales, în locul unei mini-viscole de fulgi mai mici.

„Este cam cel mai complicat lucru care se poate fabrica”, spune Ben Fifoot, inginer de producție la Rolls-Royce, companie care produce palete de turbină în Regatul Unit. „Este un motiv adevărat să te ridici dimineața din pat.”

Doar câteva companii din lume pot produce aceste palete monocristaline, iar procesul a fost perfecționat de la un capăt la altul în numai cinci țări, inclusiv Statele Unite și Regatul Unit. Producătorii de motoare concurează constant pentru a avea acces la această tehnologie.

Rolls-Royce, GE și compania franceză Safran se numără printre puținele firme care au perfecționat procesul.

În septembrie, GE Aerospace a anunțat că va achiziționa furnizorul său de palete de turbină pentru 11,75 miliarde de dolari (8,78 miliarde de lire sterline). Niciuna dintre companii nu a răspuns solicitărilor de comentarii, însă tranzacția a fost descrisă drept o încercare de a asigura aprovizionarea cu aceste componente esențiale.

Separat, în martie, Rolls-Royce a anunțat că va investi peste 19 milioane de lire sterline în unitatea sa de turnare a paletelor din Rotherham.

Specialiștii în palete de turbină continuă să îmbunătățească această tehnologie puțin cunoscută. Între timp, China încearcă să demonstreze că inginerii săi pot produce palete de aceeași calitate ca cele occidentale. Cine va ieși învingător?

„Cererea de [palete de turbină] este uriașă. Atât de puține companii au reușit să le producă, ceea ce le conferă o aură aproape magică”, spune Bill Sweetman, scriitor și consultant în industria aviației.

El bănuiește că recenta mișcare a GE Aerospace urmărește să asigure fiabilitatea și predictibilitatea într-un lanț de aprovizionare cu reputația de a fi extrem de volatil, cel al producției de aeronave.

Dar de ce este turnarea monocristalină, un proces folosit de zeci de ani, în continuare atât de specializată?

„Să crești una dintre aceste palete înseamnă să lupți cu legile universului”, afirmă Fifoot.

Motivul este că, în mod natural, fiecare paletă din metal topit s-ar răci și s-ar transforma într-un obiect solid alcătuit din numeroase grăunțe mici de aliaj, amestecate la întâmplare. Însă nu se dorește un cub de zahăr sfărâmicios, ci un diamant perfect.

Pentru ca un singur cristal să se formeze în forma paletei, nu este suficient să răcești încet metalul topit. Procesul folosește și un truc neobișnuit, numit „coadă de purcel”.

Această „coadă” este o spirală mică, aflată la unul dintre capetele paletei. Fifoot spune că, la începutul răcirii, spirala „sufocă” fluxul cristalelor care se solidifică, astfel încât unul singur să se impună. E ca într-o curbă strânsă de pe un circuit de Formula 1, chiar înainte de linia de sosire: un singur pilot poate prelua conducerea și poate câștiga.

„Uneori trebuie să modificăm numărul de spire sau unghiurile [cozii] pentru a obține o orientare mai favorabilă a grăuntelui”, adaugă Fifoot. După formarea paletei, această spirală esențială, dar sacrificabilă, este tăiată.

Paletele produse de Rolls-Royce sunt folosite în motoare de aeronave precum Trent XWB-84, care propulsează Airbus A350-900, și Trent 1000 XE, destinat aeronavei Boeing 787.

Monocristalul este esențial pentru performanța fiecărei palete. Uneori, de exemplu, răcirea nu decurge exact cum a fost planificată și se formează două cristale în loc de unul singur. În acest caz, aliajul metalic trebuie reprocesat, astfel încât producătorul să poată reutiliza materialul.

Paletele sunt protejate de temperaturile extreme din motoare și cu învelișuri ceramice speciale. O altă caracteristică importantă este că ele sunt turnate cu canale minuscule. Acestea permit aerului mai rece să circule și să formeze un fel de peliculă protectoare în timpul funcționării motorului.

„În prezent, în întreaga industrie, eforturile se concentrează pe realizarea unor canale de răcire foarte complexe”, spune Paul Withey, de la Universitatea din Birmingham, care a lucrat anterior la Rolls-Royce. Cu cât curenții mici de aer rece sunt mai turbulenți, explică el, cu atât vor extrage mai multă căldură din aerul din jur, care este mult mai fierbinte.

Producătorii încearcă, de asemenea, să reducă pe cât posibil masa acestor componente.

„Dacă putem elimina din greutate, motorul poate funcționa mai eficient și poate consuma mai puțin combustibil – îl putem roti mai repede și îl putem folosi la temperaturi mai ridicate”, spune Fifoot.

China speră, în același timp, să devină a șasea țară care stăpânește întregul lanț tehnologic pentru turnarea paletelor monocristaline.

Un raport publicat în mai cita un inginer de la Institutul de Materiale Aeronautice din Beijing al AECC, care afirma că China dispune acum de un aliaj monocristalin „superior sau echivalent superaliajelor monocristaline de a doua generație utilizate pe scară largă în Europa și Statele Unite”. Potrivit afirmației, acesta este și mai ieftin de produs.

Totuși, Occidentul are un „avantaj uriaș” față de China, având în vedere că acolo are loc cea mai mare parte a producției de aeronave comerciale, spune Sweetman. Lanțurile de aprovizionare și cele mai recente inovații sunt, în general, concentrate în Occident. În plus, producătorii occidentali au și un istoric îndelungat în materie de siguranță.

Pentru a face progrese importante, China trebuie să concureze în aproape toate domeniile producției de aeronave, nu doar în cel al paletelor de turbină. „Se vede cu siguranță că acest lucru se întâmplă, dar este o luptă lungă și anevoioasă”, adaugă Sweetman.

Cererea de aeronave este în prezent ridicată și pune deja presiune asupra mai multor lanțuri de aprovizionare din industrie. Este posibil ca aceasta să crească și mai mult, sugerează Withey.

În următorii ani, unul dintre cei doi mari producători de aeronave, Airbus și Boeing, ar putea lansa un nou avion pentru zboruri scurte, spune el. Celălalt ar trebui apoi să facă același lucru pentru a rămâne competitiv.

„Va fi o îmbulzeală”, spune Withey, pentru a vedea cine va furniza motoarele și, implicit, aceste atât de importante palete monocristaline de turbină.