¿Por qué no se funden los motores a reacción?

La cámara de combustión de un turbofán moderno como el GE9X o el Rolls-Royce Trent XWB entrega gas a la primera etapa de turbina a temperaturas en torno a 1.600 °C, con picos aún más altos. Las palas de esa etapa se fabrican por fundición a partir de superaleaciones a base de níquel cuyo punto de fusión es de unos 1.300-1.350 °C y que empiezan a perder resistencia bastante antes de llegar a esa cifra. Sobre el papel, la pala debería fallar en cuestión de segundos. No lo hace, porque el diseño garantiza que el metal nunca llega a la temperatura del gas. Tres capas de protección trabajan juntas: refrigeración interna, un revestimiento cerámico y una estructura cristalina elegida para resistir la deformación bajo carga.

Cada pala de la turbina de alta presión es hueca, con una red de pasajes serpenteantes fundidos en su interior. El aire extraído del compresor, a unos 650 °C, que resulta frío en comparación, se bombea a través de esos pasajes y sale luego por centenares de orificios taladrados con láser, cada uno de una fracción de milímetro de ancho, en el borde de ataque y las superficies de la pala. Ese aire se extiende formando una fina película que se adhiere a la superficie y la aísla del gas de combustión. Entre un 15 y un 25 % del flujo de aire del compresor se emplea de este modo, una penalización considerable que los diseñadores aceptan porque cada 50 °C adicionales de temperatura de entrada a la turbina se traducen en ganancias medibles de empuje y eficiencia. Sobre la pala se aplica un revestimiento de barrera térmica, normalmente circonia estabilizada con itria, una cerámica de unas pocas centenas de micrómetros de espesor aplicada por proyección de plasma o deposición de vapor; reduce la temperatura del metal otros 100-150 °C. Debajo, una capa de unión rica en aluminio forma un óxido protector contra la corrosión.

Incluso refrigerada, la pala funciona a unos 1.000 °C mientras gira a más de 10.000 rpm y soporta una carga centrífuga equivalente a varias toneladas colgando de su punta. El metal fundido convencional sufre fluencia en esas condiciones, estirándose a lo largo de los límites de grano hasta fallar. Desde la década de 1980, las palas se fabrican como monocristales en hornos de solidificación direccional, eliminando por completo los límites de grano y permitiendo temperaturas más altas y vidas más largas. El siguiente paso son los materiales compuestos de matriz cerámica, fibras de carburo de silicio en una matriz de carburo de silicio, que pesan un tercio de lo que pesa una superaleación y toleran unos 1.300 °C sin refrigeración; GE los introdujo en las carcasas y toberas de los motores LEAP y GE9X. El revestimiento de la cámara de combustión y los álabes guía de la tobera soportan cargas similares y usan refrigeración parecida, razón por la cual un motor en funcionamiento puede verse brillar visiblemente a través de su tubo de escape mientras el carenado contiguo permanece lo bastante frío como para tocarlo.