Bir uçak motorunun içindeki en sıcak noktada dönen diskin tek bir kristalden yapılması fikri, metalurjiyle finansmanın aynı potada eridiği bir sabır ve hassasiyet ekonomisidir.
Villaroche tesisinin en derinindeki test hücresinde, bir LEAP motoru tam gaz çalışıyor. Dışarıdan bakınca beton bir sığınak, içeriden bakınca kontrollü bir cehennem. 500 dereceyi aşıyor. Nikel alaşımı kanatçıkların içinden geçen soğutma havası olmasa, kanatçıklar birkaç saniyede eriyip akacak. Hava, kompresörün son kademelerinden alınıyor, kendisi de 700 derece civarında. Yine de kanatçıkları erimekten koruyacak kadar serin.
Ama asıl mesele kanatçıkların kendisi değil. Mesele, o kanatçıkları tutan diskin dönme hızı. 000 devir dolayında. Diskin her santimetrekaresine düşen merkezkaç kuvveti, küçük bir binek otomobili havaya kaldıracak cinsten. Ve o disk, tek bir metal kristalinden oluşuyor. Villaroche’deki mühendislerin “tek kristal” dediği şey, atomların diskin tamamında aynı yönde dizildiği, sınır tanımayan bir metal parçası.
Sınır olmayınca, yüksek sıcaklıkta sürünme de olmuyor. Peki bir metali tek kristal halinde dökmek ne kadar sürer? Cevap, finans dünyasının “sabırlı sermaye” tanımını yeniden yazacak cinsten.
Tek kristalli türbin diski dökümünü anlamak için en iyi benzetme, erimiş kalayın soğuk bir yüzeye damlamasıdır. Kalay damlası katılaşırken atomlar rastgele yığılır, her biri farklı yöne bakan minik kristal adacıkları oluşur. Adacıkların birbiriyle buluştuğu sınırlara “tane sınırı” denir. Tane sınırları, metali oda sıcaklığında güçlendirir ama yüksek sıcaklıkta zayıflatır. Atomlar sınır boyunca kayar, metal sürünür, deforme olur. Türbin diski ise sürünmeye tahammül edemez.
Sürünen bir disk, kanatçıkları gövdeye sürter, motoru saniyeler içinde imha eder. Villaroche’deki dökümhanede kalay damlasının tam tersi yapılır. Erimiş nikel alaşımı, alt kısmı su soğutmalı bakır bir plakaya temas eden seramik kalıba dökülür. Plaka ısıyı öyle hızlı çeker ki, katılaşma tek bir noktadan başlar. O noktadan yukarı doğru büyüyen kristal, kalıbın boynundaki spiral bir kanaldan geçer. Spiral, yalnızca tek bir kristal yöneliminin geçmesine izin verir, diğerleri duvara çarpıp söner. Kalıbın üst kısmına ulaşan tek bir kristal olur.
Seçilim sürecine “tohum seçimi” denir, metalurjinin en zarif doğal seleksiyonudur. Katılaşma hızı saniyede milimetrenin onda biri mertebesinde tutulur, bakır plakanın su soğutması santimetre başına 100 derecelik bir sıcaklık gradyanı oluşturur. Spiral kanal birkaç santimetre uzunluğunda ve kademeli olarak daralır, böylece yalnızca en hızlı büyüyen ve doğru yönelime sahip kristal hayatta kalır.
Seramik kalıbın iç yüzeyi, bitmiş diskin yüzey kalitesini belirler. Villaroche’de kullanılan kalıplar, kayıp mum yöntemiyle üretilir. Önce diskin tam boyutlarında bir mum model yapılır. Mum model, seramik bulamacına defalarca daldırılır. Her daldırmada, ince bir seramik tabakası eklenir. Tipik bir kalıp 8 ila 12 katman gerektirir.
Bulamaç, yüksek saflıkta alümina ve silika parçacıklarının bir bağlayıcı içinde süspanse edilmesiyle hazırlanır. Her katmanın kuruması, sıcaklığı 22 ila 24 santigrat derece, nemi yüzde 45 ila 55 arasında tutulan kontrollü bir odada 24 saat sürer. Kuruma sırasında nemin fazla olması kabukta çatlaklara, az olması ise yüzey pürüzlülüğüne yol açar. Kuruyan kabuk, ardından fırınlanır. Fırınlama iki aşamalıdır. İlk aşamada 150 santigrat derecede mum eritilip akıtılır.
İkinci aşamada sıcaklık 1.000 santigrat derecenin üzerine çıkarılarak seramik sinterlenir, yani parçacıklar birbirine kaynar. Sinterleme sonrası kalıbın iç yüzey pürüzlülüğü, beyaz ışık interferometrisiyle ölçülür. Villaroche mühendisleri, kabul edilebilir maksimum pürüzlülüğü 1 mikron olarak belirlemiştir. Karşılaştırma için, bir insan saçı yaklaşık 70 mikron kalınlığındadır. Kalıp yüzeyindeki her mikronluk pürüz, bitmiş diskte bir gerilim yığılma noktasına dönüşür. Gerilim yığılması, diskin yorulma ömrünü kabaca her mikron için 2.000 saat kısaltır.
Bir kalıbın üretimi, daldırma ve kurutma döngüleriyle birlikte yaklaşık iki hafta sürer. Kalıp yalnızca bir kez kullanılır. Dökümden sonra mekanik olarak kırılıp çıkarılır. Her disk için sıfırdan bir kalıp yapılması, seri üretim mantığının tam tersidir. Kalıp başına maliyet 15.000 avroya ulaşır. Peki neden bu kadar pahalı bir kalıp tek kullanımlık?
Cevap, döküm sırasında kalıbın iç yüzeyinin erimiş metalle temas edip kimyasal olarak bozulmasında yatar. Yüzeyde oluşan reaksiyon tabakası, ikinci bir dökümde pürüzlülüğü 1 mikronun altında tutmayı imkansız kılar. Ayrıca, döküm sonrası kalıp kırılırken oluşan mekanik gerilimler, kalıbın bütünlüğünü kaybetmesine neden olur. Dolayısıyla her disk, kendi kalıbında doğar ve kalıbıyla birlikte ölür.
Disk döküldükten sonra iş yeni başlar. Tek kristal yapı, diskin yüksek sıcaklık sürünme direncini sağlar ama iç gerilimleri gidermez. Döküm sırasında kalıbın farklı bölgeleri farklı hızlarda soğur. Soğuma farkları, diskin içinde görünmez gerilim alanları yaratır. Gerilimler giderilmezse, disk ilk tam gaz testinde çatlar. Villaroche’de dökümden çıkan her disk, kontrollü bir ısıl işlem fırınına girer.
İlk adım gerilim giderme tavlamasıdır. Disk, 280 santigrat dereceye yükseltilir ve bu sıcaklıkta 8 saat bekletilir. Atomlar titreşir, gerilim alanları gevşer, kristal yapı rahatlar. Ardından sıcaklık kontrollü adımlarla 1.280 santigrat dereceye çıkarılır. Çözeltiye alma adı verilen bu aşamada, gamma prime çökeltileri tamamen çözünür ve alaşım elementleri nikel matris içinde homojen dağılır. Disk, 1.280 derecede 4 saat tutulur.
Çözeltiye alma sonrası, disk hızla soğutulur. Soğutma hızı dakikada 50 santigrat derecenin altına düşmemelidir, aksi halde istenmeyen iri çökeltiler oluşur. Hızlı soğutma, argon gazı püskürtülerek yapılır. Soğuyan disk, daha sonra iki kademeli yaşlandırma işlemine alınır. İlk yaşlandırma 1.080 derecede 4 saat, ikinci yaşlandırma 850 derecede 24 saat sürer. Adımlarda, gamma prime parçacıkları kontrollü olarak yeniden çökelir.
Çökelen birincil gamma prime parçacıkları yaklaşık 0,5 mikron, ikincil parçacıklar ise 50 nanometre boyutundadır. Dağılımın düzgünlüğü, diskin yüksek sıcaklık dayanımını doğrudan belirler. Fırın içindeki sıcaklık farkı en fazla artı eksi 5 santigrat derece olmalıdır. Aksi takdirde, gamma prime boyut dağılımı bozulur ve diskin sürünme ömrü yarıya inebilir. Isıl işlem reçetesi, her alaşım için ayrıdır ve Villaroche’nin en sıkı korunan ticari sırları arasındadır. Reçetenin tek bir parametresinin 10 derece sapması, diskin kullanım ömrünü yüzde 30 kısaltabilir.
Son kontrolde, diskin iç gerilimleri X-ışını kırınımıyla ölçülür. Kalıntı gerilim 50 megapaskalın altında olmalıdır. Gerilim değeri yüksek çıkan diskler, ısıl işleme geri gönderilir. Villaroche’deki fırınlar, her bir diskin sıcaklık geçmişini saniye saniye kaydeder. Kayıtlar, motorun ömrü boyunca saklanır ve ileride bir arıza durumunda geriye dönük analiz imkanı sağlar.
Türbin diski tek başına çalışmaz. Diskin çevresine geçirilen kanatçıklar, diskten geçen soğutma havasıyla beslenir. Soğutma havası, kompresörün son kademelerinden alınır, diskin içindeki kanallardan geçerek kanatçıkların içine girer. Kanatçıkların içi, incecik hava labirentleriyle doludur. Hava, kanatçığın yüzeyindeki minik deliklerden çıkarak bir film tabakası oluşturur. Film soğutması denilen bu yöntem, kanatçığı sıcak gazdan yalıtır.
Villaroche’de delikler, darbeli Nd, YAG lazerlerle delinir. Lazerin dalga boyu 1.064 nanometredir, darbe süresi milisaniye mertebesindedir. Her bir lazer darbesi, kanatçık yüzeyinden mikronluk bir malzeme kaldırır. Bir delik için onlarca darbe gerekir. Delik çapı milimetrenin onda biri, tipik olarak 0,3 ila 0,5 milimetre arasındadır. Bir kanatçıkta ortalama 250 delik bulunur.
Deliklerin açısı, çapı ve aralığı, soğutma filminin etkinliğini belirler. Açı, yüzeye göre 30 derece civarındadır. Açıdaki bir derecelik sapma, sıcak nokta oluşturur. Sıcak nokta, kanatçığın o bölgesinde sıcaklığı yerel olarak 50 derece artırabilir. 50 derece, nikel alaşımının sürünme ömrünü yarıya indirmek için yeterlidir. Lazer delme işlemi, her kanatçık için yaklaşık 3 saat sürer, delik başına ortalama 43 saniye düşer.
Villaroche’deki lazer tezgahları, delme sırasında kanatçığın içine eş zamanlı olarak koruyucu gaz basar. Gaz, delinen bölgede eriyen metalin tekrar katılaşıp deliği tıkamasını engeller. Tıkanan tek bir delik, kanatçığın o bölümünü soğutmasız bırakır. Sonuç, motorun sıcak bölümünde zincirleme bir hasar olur. Delme sonrası, delik iç yüzeyinde oluşan 10-20 mikron kalınlığındaki yeniden katılaşma tabakası, kimyasal bir işlemle temizlenir. Temizlenmeyen tabaka, soğutma havasının akışını bozar ve deliğin tıkanma riskini artırır.
Konumlandırma hassasiyeti artı eksi 0,05 milimetredir. Deliklerin konumu, kanatçığın üç boyutlu modeliyle birebir örtüşmelidir. Herhangi bir sapma, film soğutmasının bütünlüğünü bozar. Film soğutmasının etkinliği, soğutma filminin kanatçık yüzeyini kaplama oranını gösteren eta parametresiyle ölçülür. Eta değeri 0,4’ün altına düştüğünde, kanatçık yüzeyi yeterince korunamaz ve sıcak nokta riski katlanır. Villaroche mühendisleri, eta değerini 0,6’nın üzerinde tutmak için delik geometrisini sürekli optimize eder.
** 2019 yılının ikinci yarısında, Safran ve GE ortaklığı CFM International, CFM56 motorlarının yüksek basınç türbin disklerinde beklenenden erken yorulma çatlakları tespit etti. Sorun, Villaroche’de üretilen disklerin bir kısmında, döküm sonrası ısıl işlem sırasında oluşan mikro yapı düzensizliklerinden kaynaklanıyordu. Düzensizlik, gamma prime çökeltilerinin tane sınırına yakın bölgelerde irileşmesiydi. Havayolları, acil servis bültenleriyle yüzlerce motoru planlanandan çok önce kanat değişimine sokmak zorunda kaldı. Bekleme süreleri uzadı, uçaklar yerde kaldı. Safran, Villaroche’deki ısıl işlem fırınlarının sıcaklık homojenliğini artırmak için 50 milyon avronun üzerinde yatırım yaptı. Ders şuydu, Tek kristal diskin içindeki nanometre ölçeğindeki bir düzensizlik, küresel havacılık takvimini haftalarca kaydırabilir.
Sayılar temsili, mantık gerçek.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| Tek bir türbin diski döküm süresi (kalıp hazırlık hariç) | ~4 saat |
| Disk başına seramik kalıp maliyeti | ~15.000 avro |
| Isıl işlem çevrim süresi (tüm adımlar) | ~30 saat |
| Lazer delme. Kanatçık başına ortalama delik sayısı | ~250 adet |
| Kanatçık başına lazer delme süresi | ~3 saat |
| Bir motor seti (disk + kanatçıklar) toplam üretim süresi | ~6 hafta |
| Yıllık LEAP motor teslimatı (Safran payı) | ~1.000 adet |
| Set başına toplam değişken maliyet | ~400.000 avro |
| Yıllık toplam değişken maliyet | ~400 milyon avro |
Duyarlılık twisti, Isıl işlem reçetesindeki bir sapma, disk ömrünü 20.000 saatten 14.000 saate düşürürse, havayolunun motor başına kanat değişim maliyeti yaklaşık 1,2 milyon avro artar. Villaroche’nin yıllık çıktısı düşünüldüğünde, proses kontrolündeki küçük bir gevşeme, filo genelinde yüz milyonlarca avroluk plansız bakım faturasına dönüşür.
Villaroche’yi anlamak için üç katmanlı bir okuma gerekir. İlk katman, metalurji katmanıdır. Tek kristal döküm, kontrollü katılaşma ve çökelti sertleşmesi, fiziksel dünyanın sınırlarında gezinir.
İkinci katman, süreç kontrolü katmanıdır. Her parametre bir dağılım gösterir. Dağılımın kuyrukları, motor ömrünün kuyruk risklerini yaratır. Villaroche’deki mühendisler, dağılımın standart sapmasını sürekli daraltmak için yaşar.
Üçüncü katman, finansman katmanıdır. Bir motor setinin üretimi altı hafta sürerken, müşteriye verilen teslimat taahhüdü aylar öncesinden yapılır. Üretim hattındaki her saatlik gecikme, ceza maddelerini tetikler. Villaroche, sabır ve hassasiyetin aynı potada eridiği, sermayenin zamana karşı yarıştığı bir yerdir. Döküm fırınının başında bekleyen operatör, aslında bir motorun değil, bir bilançonun kristal yapısını kontrol eder.