롤스로이스, 물리 법칙을 무시하는 금속 블레이드 재배 — 주조는 평민이나 하는 것이라서

여러분이 상업용 항공편에 탑승할 때마다, 엔진 내부에서는 작은 야금학적 기적이 조용히 일어나고 있다. 매끈한 외부 나셀 안에 숨겨진 수백 개의 작은 터빈 블레이드가 1,500°C를 초과하는 온도와 기계적 응력을 견뎌낸다 — 그것도 조각되는 것이 아니라 마치 과성취 금속을 위한 산업 농업처럼 재배되면서.

1960년대에 엔지니어들은 용융 금속 합금을 터빈 블레이드 모양으로 주조한 다음, 몇 시간에 걸쳐 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 매우 조심스럽게 냉각하는 방법을 알아냈다. 그 결과는 단결정 — 금속 합금의 단일 입자 — 으로, 점진적이고 섬세한 응고 과정을 통해 형성된다. 이를 작은 눈송이들의 혼란스러운 눈보라가 아닌 하나의 크고 맞춤 설계된 눈송이로 만드는 것이라고 생각하면 된다. "제조업이 도달할 수 있는 거의 가장 복잡한 수준입니다,"라고 영국에서 터빈 블레이드를 만드는 롤스로이스의 제조 엔지니어 벤 피푸트가 말한다. "아침에 침대에서 나오게 만드는 진짜 동기부여죠." 아마 커피도 도움이 될 것이다.

전 세계적으로 소수의 회사만이 이러한 단결정 터빈 블레이드를 생산할 수 있으며, 전체 종단 간 공정은 미국과 영국을 포함한 단 5개국에서 완성되었다. 엔진 제조업체들은 이 기술에 대한 접근권을 얻기 위해 끊임없이 경쟁한다. 롤스로이스, GE, 프랑스의 사프란은 이를 마스터한 몇 안 되는 기업들이다. 9월에 GE 에어로스페이스는 터빈 블레이드 공급업체를 117억 5천만 달러(87억 8천만 파운드)에 인수하겠다고 발표했다 — 이는 이러한 핵심 부품의 공급을 보장하려는 노력으로 묘사되었다. 두 회사 모두 BBC 뉴스의 논평 요청에 응답하지 않았지만, 메시지는 분명하다: 물리 법칙을 이길 수 없다면, 이길 수 있는 회사를 사라.

별도로, 3월에 롤스로이스는 로더럼 블레이드 주조 시설에 1,900만 파운드 이상을 투자하겠다고 밝혔다. 한편 중국은 자국 엔지니어들이 서구와 동일한 품질의 터빈 블레이드를 생산할 수 있음을 증명하기 위해 필사적이다. 누가 승자가 될까? "[터빈 블레이드]에 대한 수요는 엄청납니다. 이를 해낸 회사가 너무 적어서 일종의 마법 같은 아우라를 부여하죠,"라고 항공 산업 작가이자 컨설턴트인 빌 스위트먼이 말한다. 그는 GE 에어로스페이스의 최근 움직임이 악명 높게 변동성이 큰 항공기 제조 공급망에서 신뢰성과 예측 가능성을 확보하기 위한 것이라고 추측한다.

그런데 왜 수십 년 된 공정인 단결정 주조가 여전히 그렇게 전문적인 것일까? 이러한 블레이드 중 하나를 재배하는 것은, 피푸트가 주장하기를, "우주의 법칙과 싸우는" 것이다. 그 이유는 각각의 용융 블레이드가 자연적으로 냉각되면 여러 개의 작은 금속 합금 입자가 뒤섞인 고체 물체가 되기 때문이다. 하지만 당신은 부서지기 쉬운 각설탕을 원하는 것이 아니라 완벽한 다이아몬드를 원한다. 단결정이 블레이드 모양으로 성장하도록 하는 것은 단순히 천천히 냉각하는 문제가 아니다 — 그것은 '피그테일'이라는 기이한 트릭을 사용한다. 피그테일은 블레이드 한쪽 끝에 있는 작은 나선이다. 피푸트에 따르면, 냉각 과정 초기에 이 나선은 응고되는 결정의 흐름을 "질식시켜" 단 하나만이 주도권을 잡도록 한다. 마치 결승선 직전의 F1 경주에서 헤어핀 코너와 같다 — 한 드라이버가 여기서 선두를 차지하고 승리를 향해 나아갈 수 있다. "때로는 더 유리한 입자를 얻기 위해 [피그테일]의 회전 수나 각도를 조작해야 합니다,"라고 피푸트가 덧붙인다. 블레이드가 형성되면, 이 중요하지만 희생적인 나선은 잘려 나간다.

롤스로이스가 만든 블레이드는 에어버스 A350-900을 구동하는 트렌트 XWB-84와 보잉 787용 트렌트 1000 XE를 포함한 항공기 엔진에 사용된다. 단결정은 각 블레이드의 성능을 보장하는 데 필수적이다. 때로는 블레이드가 계획대로 냉각되지 않는다 — 예를 들어, 하나 대신 두 개의 결정이 내부에 형성되는 경우 — 그리고 제조업체가 재료를 재사용할 수 있도록 금속 합금을 재처리해야 한다. 특수 세라믹 코팅도 엔진 내부의 극한 온도로부터 블레이드를 보호한다. 또 다른 중요한 특징은 블레이드가 더 차가운 공기의 흐름이 블레이드를 코팅할 수 있도록 작은 채널과 함께 주조된다는 점이다.