Perché i motori a getto non si fondono?

La camera di combustione di un turbofan moderno come il GE9X o il Rolls-Royce Trent XWB fornisce gas al primo stadio della turbina a temperature intorno ai 1.600 °C, con picchi ancora più alti. Le palette di questo stadio sono fuse in superleghe a base di nichel, il cui punto di fusione si trova intorno ai 1.300-1.350 °C, e che perdono resistenza già ben prima di quella soglia. Sulla carta, la paletta dovrebbe cedere in pochi secondi. Non lo fa perché la progettazione garantisce che il metallo non percepisca mai la temperatura del gas. Tre strati di protezione agiscono insieme: raffreddamento interno, un rivestimento ceramico e una struttura cristallina scelta per resistere alla deformazione sotto carico.

Ogni paletta della turbina ad alta pressione è cava, con una rete serpentinata di canali fusi al suo interno. L'aria prelevata dal compressore a circa 650 °C, fredda al confronto, viene pompata attraverso questi canali e poi esce attraverso centinaia di forellini praticati con il laser, ciascuno largo solo una frazione di millimetro, sul bordo d'attacco e sulle superfici della paletta. Quest'aria si diffonde formando una pellicola sottile che aderisce alla superficie e la isola dal gas di combustione. Tra il 15 e il 25% del flusso d'aria del compressore viene utilizzato in questo modo, una perdita considerevole che i progettisti accettano perché ogni 50 °C aggiuntivi di temperatura all'ingresso della turbina portano guadagni misurabili in spinta ed efficienza. Sopra la paletta si trova uno strato di protezione termica, tipicamente zirconia stabilizzata con ittrio, una ceramica di poche centinaia di micrometri di spessore, applicata tramite spruzzatura al plasma o deposizione in fase vapore; riduce la temperatura del metallo di altri 100-150 °C. Sotto, uno strato di adesione ricco di alluminio forma un ossido protettivo contro la corrosione.

Anche raffreddata, la paletta opera a circa 1.000 °C, mentre ruota a più di 10.000 giri/min e sostiene un carico centrifugo equivalente a diverse tonnellate che tirano sulla sua punta. Il metallo fuso comune scorre (creep) in queste condizioni, deformandosi lungo i confini di grano fino a cedere. Dagli anni '80, le palette vengono fatte crescere come monocristalli in forni a solidificazione direzionale, eliminando completamente i confini di grano e permettendo temperature più alte e vite più lunghe. Il prossimo passo sono i compositi a matrice ceramica, fibre di carburo di silicio in una matrice di carburo di silicio, che pesano un terzo di una superlega e sopportano circa 1.300 °C senza raffreddamento; GE li ha introdotti negli anelli di tenuta e negli ugelli dei motori LEAP e GE9X. Il rivestimento della camera di combustione e le palette guida dell'ugello affrontano carichi simili e usano un raffreddamento simile, motivo per cui un motore in funzione può brillare visibilmente attraverso il suo scarico, mentre il rivestimento proprio a fianco resta abbastanza freddo da poter essere toccato.