СПОСОБ ЭЛЕКТРОПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к электрополированию лопаток блиска и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток блиска газотурбинных двигателей и установок, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин.

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора ГТД и ГТУ применяются легированные стали и титановые сплавы, а для газовых турбин ГТД и ГТУ лопатки из жаропрочных никелевых сплавов.

Лопатки турбин обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. В этой связи появляются проблемы при использовании механического полирования поверхностей лопаток турбомашин. Поэтому развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Наиболее перспективными методами обработки лопаток турбомашин являются электрохимические методы полирования поверхностей [Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Влияние на свойства металлов. Л., Машиностроение, 1987.], при этом наибольший интерес для рассматриваемой области представляют методы электролитно-плазменного полирования (ЭПП) деталей [например, Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности лопаток блисков.

Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009], включающий погружение детали в электролит, содержащий окислитель, фторсодержащее соединение и воду, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала.

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16] является многостадийным, что приводит с одной стороны к возрастанию сложности процесса обработки деталей, снижению качества и надежности процесса обработки из-за необходимости обеспечения большего количества параметров процесса и их соотношений, а также к повышению его трудоемкости.

Известен также способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, опубл. 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.1991].

Однако известные способы электрополирования не позволяют производить однородную обработку поверхности деталей со значительной поверхностью, таких, например, как моноколеса с лопатками.

Известен также способ полирования металлической детали, заключающийся в заполнении электропроводящими гранулами рабочего контейнера, выполненного из электропроводного материала, закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие контейнер, подключении детали к аноду, а контейнера к катоду [WO 2017186992 - |Method for smoothing and polishing metals via ion transport by means of free solid bodies, and solid bodies for carrying out said method. Опубл. 2017.11.02].

Однако известный способ [WO 2017186992] низкой производительностью, особенно при обработке деталей со значительной площадью поверхности, таких как блиски ГТД.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ электрополирования лопаток, включающий электрохимическое полирование лопаток в растворе электролита [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91.]

Однако известный способ [Патент США №5028304] не позволяет обеспечить высокое качество поверхности деталей большой площади, таких например, как лопатки блиска, за счет неравномерности взаимодействия электролита с обрабатываемой поверхностью детали

Кроме того, способ-прототип [Патент США №5028304] при обработке изделий, имеющих значительную площадь поверхности выделяется чрезмерное количество тепла, что делает процесс нестабильным и приводит к возникновению дефектов на поверхности лопаток. При этом обработка крупных изделий, к которым относятся блиски ГТД, требуется значительное количество электроэнергии и при реализации процесса полирования в этих условиях резко снижается к.п.д. обработки.

Известно устройство для электрохимического полирования, содержащая рабочую ванну в форме короба, на верху которой размещен защитный кожух, а на его верху - крышка с размещенным на ней манипулятором в виде механизма вертикального перемещения с подвеской, с токоподводом от источника питания и с приводом, снабженным устройством регулировки - отслеживания скорости погружения изделия, нагреватели, кассета, средство слива электролита и средство вывода его испарения, имеющее воздухоотсос, а также регулятор усреднения температуры электролита, связанный с рабочей ванной. (Патент РФ №2323279. МПК C23F 7/00. Установка для электролитно-плазменного полирования. опубл. 27.04.2008 Бюл. №12)

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа устройства является устройство для электрополирования металлических деталей, выполненное в виде металлического электроизолированного с внешней стороны контейнера с открытым верхом [Заявка США №20180200863. МПК В24В 37/04 Removable electromechanical device for burnishing and smoothing metal parts. Опубл 19.07.2018 г.] содержит контейнер для электролита, опорный элемент для размещения обрабатываемых деталей и систему для осуществления перемещений и дополнительного механического воздействия на процесс обработки.

Однако известные устройства для электрохимического полирования не могут быть использованы для полирования блисков в среде электропроводящих гранул.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества обработки и надежности процесса полирования блиска за счет обеспечения равномерного взаимодействия гранул с обрабатываемой поверхностью блиска и уменьшения текущей площади обработки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества и однородности обработки поверхности лопаток блиска.

Технический результат достигается за счет того, что в способе электрополирования лопаток блиска, включающем электрохимическое полирование его лопаток в отличие от прототипа, электрохимическое полирование проводят в среде гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул и ионный унос металла лопатки, с удалением микровыступов с его поверхности, погружают блиск в контейнер с упомянутыми гранулами, осуществляют контакт с гранулами всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки, приводят упомянутые гранулы в вибрационное движение, обеспечивающее равномерное омывание гранулами полируемой части лопатки блиска, подают на блиск и гранулы электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла с поверхности обрабатываемой лопатки блиска и ее полирование в среде упомянутых гранул до получения заданной шероховатости полируемой поверхности, причем блиск погружают в упомянутые гранулы частично, охватывая только его сегмент на глубину, обеспечивающую полное погружение обрабатываемой лопатки блиска, находящейся в центре его сегмента, а гранулы приводят в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта обрабатываемой лопатки блиска, наклоняя блиск под острым углом между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска (угол атаки), причем блиск вращают относительно его продольной оси со скоростью, обеспечивающей полирование поверхности лопаток до получения заданной шероховатости, по крайней мере за один цикл поворота блиска вокруг своей продольной оси.

Кроме того возможны следующие приемы способа: величина острого угла между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска берут равной от 30 до 45 угловых градуса, скорость потока гранул относительно обрабатываемой лопатки блиска составляет от 0,5 до 10 м/с, а длина пути упомянутого возвратно-поступательного движения составляет от 2 до 4 м, причем перед каждой сменой направления движения гранул относительно лопаток, блиск наклоняют под упомянутым острым углом, а вибрационное движение гранул выбирают из диапазона частотой от 50…400 Гц; в качестве анионитов упомянутых гранул используют ионообменные смолы полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул выбирают из диапазона от 0,1 до 0,4 мм; электрополирование гранулами проводят подавая на блиск положительный, а на гранулы отрицательный электрический потенциал от 25 до 35 В; электрополирование гранулами проводят в импульном режиме со сменой полярности, при диапазоне частот импульсов от 20 до 100 Гц, период импульсов от 50 мкс до 10 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А, и их длительности 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс; используют блиск, выполненный из легированной стали, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: или NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л, или NaF, концентрацией от 4 до 18 г/л, или KF концентрацией от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, или смеси NaF и KF при содержании NaF - от 3 до 14 г/л и KF - от 35 до 60 г/л, или смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л и KF - от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F, NaF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л и KF - от 20 до 30 г/л, и NaF - от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и HF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и HF - от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водном растворе NaNO₃, или в электролитах составов, мас. %: (NH₄)₂S0₄ - 5; Трилон Б - 0,8, или содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота - 10-30

Орто-фосфорная кислота - 40-80

Блок-сополимер окисей этилена и пропилена - 0,05-1,1

Натриевая соль сульфированного бутилолеата - 0,01-0,05

Вода - Остальное;

используют блиск, выполненный из титанового сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: или водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л, или водного раствора с содержанием 30-50 г/л KF⋅2H₂O и 2-5 г/л CrO₃; используют блиск, выполненный из никелевого сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6-9,0 г/литр, или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4 или водный раствор, содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для электрополирования лопаток блиска, выполненном в виде металлического электроизолированного с внешней стороны контейнера с открытым верхом, в отличие от прототипа, контейнер, снабжен токоподводами к контейнеру и к электроизолированным от контейнера электродам, вибратором, обеспечивающим вибрационное движение упомянутым гранулам частотой от 50…400 Гц, устройством для закрепления блиска с лопатками и устройством, обеспечивающим подъем и опускание блиска его вращение вокруг своей продольной оси, возвратно-поступательное перемещение моноколеса, изменения угла атаки продольной оси блиска на набегающий, при возвратно-поступательном движении поток гранул от 15 до 90 угловых градуса.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 показан процесс электрополирования лопатки блиска. На фиг. 1 представлен блиск в контейнере с гранулами, на фиг. 2 - блиск в процессе полирования лопаток при изменении его угла атаки относительно потока гранул (фиг. 2а - при движении гранул «вперед», фиг. 2b - при движении гранул «назад»), фиг. 3 - движение блиска относительно гранул под различнвми углами атаки при возвратно-поступательном движении блиска относительно гранул (фиг. 3а - при омывании блиска потоком гранул справа налево; фиг. 3b - в состоянии покоя; фиг. 3с - при омывании блиска потоком гранул справа налево;) фиг. 4 - процесс полирования блиска (вид снизу). Фигуры 1, 2, 3 и 4 содержат: 1 - рабочий контейнер; 2 - гранулы, выполненные из анионитов, пропитанных раствором электролита; 3 - продольная ось блиска, 4 - горизонталь, совпадающая с направлением возвратно-поступательного движения блиска относительно гранул; 5 - вертикальная плоскость, проходящая через продольную ось блиска; 6 - блиск; 7 - текущая (обрабатываемая) лопатка блиска; 8 - держатель изделия. (Белыми прямыми стрелками показано возвратно-поступательное движение потока гранул относительно блиска; черными стрелками - направление движения блиска; скругленной стрелкой - направление вращения блиска, ОВ - продольная ось блиска, OA - направление возвратно-поступательного движения блиска, ОАВ - вертикальная плоскость, проходящая через продольную ось моноколеса; α - угол атаки (угол между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска).

Заявляемый способ электрополирования лопаток блиска осуществляется, а устройство для его осуществления работает следующим образом. Перед погружением блиска 6 подготавливают устройство для полирования в среде проводящих гранул. Для этого рабочий контейнер 1 (фиг. 1 и фиг. 2). заполняют гранулами 2, выполненными из анионитов, пропитанных раствором электролита. Пропитка гранул анонитов электролитом делает их электропроводящими. Обрабатываемый блиск 6 закрепляют на держателе изделий 8 и погружают нижнюю его часть (сегмент) в рабочий контейнер 1 с гранулами 2, прикладывают к обрабатываемому блиску 6 положительный электрический потенциал (анод), а к электропроводящим гранулам - отрицательный электрический потенциал (катод), приводят гранулы 2 в вибрационное движение частотой от 50…400 Гц, придают гранулам 2 возвратно-поступательное движение относительно блиска 6. (При обработке в импульном режиме со сменой полярности, блиск 6 и гранулы 2 поключают к источникам электропитания, обеспечивающим заданные характеристики диапазона частот импульсов, период импульсов и др). Блиск 6 погружают в электропроводящие гранулы частично, охватывая только его сегмент (фиг. 1), причем погружение осуществляют на глубину, обеспечивающую полное погружение текущей обрабатываемой лопатки 7, находящейся в центре сегмента блиска 6. Гранулы 2 приводят в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта лопатки 7 (показано стрелками) (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4), обеспечивающем равномерное омывание гранулами 2 спинки и корыта лопатки 7 и вращают блиск 6 относительно его продольной оси ОВ со скоростью обеспечивающей полирование поверхности лопаток блиска 6. При этом возвратно-поступательное движение гранул 2 может быть обеспечено за счет возвратно-поступательных движений рабочего контейнера 1 или блиска 6. Блиск 6 закрепляют на держателе 8 с возможностью его поворота 6 как вокруг его продольной оси 3, так и с возможностью поворота в плоскости, проходящей через вертикаль и направление движения потока гранул 2 (или блиска 6). В процессе полирования блиска 6 изменяет угол атаки α (угол между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска) (фиг. 2 и фиг. 3). При этом, выбирают угол а из диапазона от 30 до 45 угловых градуса. Скорость потока гранул 2 относительно обрабатываемой лопатки 7 может составлять от 0,5 до 10 м/с, а длина пути возвратно-поступательного движения браться в диапазоне от 2 до 4 м. Перед каждой сменой направления движения гранул 2 относительно лопаток 7, блиск 6 наклоняют под острым углом атаки α.

В процессе полирования текущей лопатки 7 обеспечивают возвратно-поступательное движения гранул 2 во всем объеме рабочего контейнера 1. При обработке текущей лопатки 7, держатель 8 поворачивает блиск 6 вокруг его продольной оси 3, постепенно погружая в гранулы 2 очередную обрабатываемую лопатку, которая становится текущей (обрабатываемой в данный момент) лопаткой. Указанный цикл последовательного полирования лопаток блиска 6 повторяют до окончания полирования всех его лопаток. Вибрационное движение гранул 2 выбирают из диапазона частотой от 50…400 Гц.

Для полирования лопаток блиска 6 используют рабочий контейнер 1 в виде металлического электроизолированного с внешней стороны контейнера с открытым верхом. Контейнер 1, снабжают токоподводами к контейнеру 1 и к электроизолированным от контейнера 1 электродам, вибратором, обеспечивающим вибрационное движение гранулам 2 частотой от 50…400 Гц, устройством 8 для закрепления блиска с лопатками и устройством, обеспечивающим подъем и опускание блиска, его вращение вокруг своей продольной оси, возвратно-поступательное перемещение блиска, изменения угла атаки продольной оси блиска на набегающий, при возвратно-поступательном движении поток гранул от 15 до 90 угловых градуса.

В качестве гранул 2 могут использоваться гранулы, выполненные из анионитов, пропитанных раствором электролита. В качестве анионитов могут использоваться ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул выбирают размерами из диапазона от 0,1 до 0,4 мм. Гранулы 2 выполняются пористыми из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на его внешней поверхности. В частности, гранулы могут быть выполнены из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола.

Электрополирование гранулами проводят либо без смены полярности, либо со сменой полярности.

При полировании без смены полярности электрополирование гранулами проводят подавая на блиск положительный, а на гранулы отрицательный электрический потенциал, величина которого находится в пределах от 25 до 35 В.

При полировании со сменой полярности в импульсном режиме, частоты импульсов выбирают в диапазоне от 20 до 100 Гц, периода импульсов от 50 мкс до 10 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А, и их длительности 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс.

При полировании блиск из легированной стали, в качестве электролитов для пропитки гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: или NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л, или NaF, концентрацией от 4 до 18 г/л, или KF концентрацией от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, или смеси NaF и KF при содержании NaF - от 3 до 14 г/л и KF - от 35 до 60 г/л, или смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л и KF - от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F, NaF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л и KF - от 20 до 30 г/л, и NaF - от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и HF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и HF - от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водном растворе NaNO₃, или в электролитах составов, мас. %: (NH₄)₂SO₄ - 5; Трилон Б - 0,8, или содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота - 10-30

Орто-фосфорная кислота - 40-80

Блок-сополимер окисей этилена и пропилена - 0,05-1,1

Натриевая соль сульфированного бутилолеата - 0,01-0,05

Вода - Остальное;

в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: или водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л, или водного раствора с содержанием 30 - 50 г/л KF⋅2H₂O и 2-5 г/л CrO₃;

При полировании блиск, выполненного из титанового сплава, в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов: или водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л, или водного раствора с содержанием 30-50 г/л KF⋅2H₂O и 2-5 г/л CrO₃.

При полировании блиск, выполненного из никелевого сплава в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов, используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6-9,0 г/литр, или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4 или водный раствор, содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное

Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности лопаток.

Возвратно-поступательные движения гранул 2 и их вибрация позволяют обеспечить равномерную обработку всей поверхность текущей лопатки 7 и тем самым повысить качество и однородность ее поверхности. Кроме того, за счет создания однородных условий для всего объема гранул 2, обеспечивается равномерное протекание электрических процессов ионного переноса.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. При возвратно-поступательном движении гранул происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью блиска. При этом столкновения между гранулами происходят также и во всем объеме рабочего контейнера, создавая таким образом для всего объема гранул равномерные условия протекания электрических процессов. При этом электрические процессы между деталью (анодом) и гранулами (катодом) происходят за счет контакта массы электропроводных гранул друг с другом и с находящимся под отрицательным потенциалом рабочего контейнера и/или введенных в массу гранул электродов (катодов), находящихся под отрицательным потенциалом. При столкновениях гранул с микровыступами на обрабатываемой поверхности детали происходит ионный унос массы с микровыступов, в результате чего происходит выравнивание поверхности, уменьшается ее шероховатость и происходит полирование поверхности.

Были проведены также следующие исследования по полированию моноколес из легированных сталей, никелевых и титановых сплавов. Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат в котором отсутствовал эффект полирования или уменьшения шероховатости поверхности лопаток блиска. При получении эффекта полирования результат признавался удовлетворительным (У.Р.)

Во всех случаях, следующие режимы обработки блиска оказались универсальными.

Гранулы, выполненные из анионитов и пропитанными раствором электролита размерами от 0,1 до 0,4 мм (0,05 мм (Н.Р.), 0,1 мм (У.Р.), 0,2 мм (У.Р.), 0,4 мм (У.Р.), 0,6 мм (Н.Р.)).

Применяемые аниониты - ионообменные смолы полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола. Марки использованных в предлагаемом изобретении анионитов на основе синтетических смол: Анионит 17-8ЧС, Анионит Purolite А520Е, Lewatit S 6328 А (на основе сополимера стирол-дивинилбензола), «Lewatit М500», «Lewatit MonoPlus МК 51», «Lewatit MonoPlus MP 68 », Purolite C150E, Purolite A-860 (макропористая сильноосновная анионообменная смола основанная на акрилатах), анионит сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Перечисленные аниониты пропитанные вышеприведенными составами электролитов, показали положительный результат при полировании лопаток из легированных сталей.

При обработке использовались вибрационное движение гранул с частотой от 50…400 Гц: 40 Гц (Н.Р.), 50 Гц (У.Р.), 100 Гц (У.Р.), 150 Гц (У.Р.), 250 Гц (У.Р.), 300 Гц (У.Р.), 350 Гц (У.Р.), 400 Гц (У.Р.), 450 Гц (Н.Р.) и амплитудой 1,0 до 6,0 мм (0,5 мм - Н.Р., 1,0 мм - У.Р., 2,0 мм -У.Р., 3,0 мм - У.Р., 4,0 мм - У.Р., 5,0 мм - У.Р., 6,0 мм - У.Р., 7,0 мм - Н.Р.).

При импульсном режиме со сменой полярности:

- диапазон частот импульсов от 20 до 100 Гц: 15 Гц (Н.Р.), 20 Гц (У.Р.), 40 Гц (У.Р.), 60 Гц (У.Р.), 80 Гц (У.Р.), 100 Гц (У.Р.), 120 Гц (Н.Р.) период импульсов от 50 мкс до 10 мкс,: 60 мкс (Н.Р.), 50 мкс (У.Р.), 40 мкс (У.Р.), 30 мкс (У.Р.), 20 мкс (У.Р.), 10 мкс (У.Р.), 5 мкс (Н.Р.);

- амплитуда тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 мкс до 0,8 мкс: 0,2 мкс (Н.Р.), 0,4 мкс (У.Р.), 0,6 мкс (У.Р.), 0,8 мкс (У.Р.), 10,0 мкс (Н.Р.);

- при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А, и их длительности 0,2 мкс до 0,4 мкс, 0,1 мкс (Н.Р.), 0,2 мкс (У.Р.), 0,3 мкс (У.Р.), 0,4 мкс (У.Р.), 0,5 мкс (Н.Р.);

- при прямоугольной форме выходных импульсов тока (У.Р.),

- и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс - (У.Р.) выход за пределы диапазона - (Н.Р.).

Угол атаки. Острый угол между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска брали из диапазона от 30 до 45 угловых градуса (25° - Н.Р.; 30° - У.Р.; 35° - У.Р.; 40° - У.Р.; 45° - У.Р.; 50° - Н.Р.)

Скорость потока гранул относительно обрабатываемой лопатки блиска составлял от 0,5 до 10 м/с (0,3 м/с - Н.Р.; 0,5 м/с - У.Р.; 1,5 м/с - У.Р.; 3,5 м/с - У.Р.; 6,0 м/с - У.Р.; 8,5 м/с - У.Р.; 10,0 м/с - У.Р.; 12,0 м/с - Н.Р.)

Длина пути возвратно-поступательного движения бралась от 2 до 4 м (-У.Р.).

Перед каждой сменой направления движения гранул относительно лопаток, блиск наклоняли под упомянутым острым углом.

Первая группа: блиск из легированных сталей. Обработке подвергались лопатки блиска из легированных сталей ЭП718-ИД, ВЖ105-ИД, ЭП718-ПД, ВЖ105-ПД.)

Условия обработки по предлагаемому способу.

Применяемые электролиты для пропитки гранул, выполненных из анионитов:

1) NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F от 6 до 24 г/л дает отрицательный результат);

2) NaF, концентрацией от 4 до 18 г/л, (выход за пределы концентраций от 4 до 18 г/л, дает отрицательный результат);

3) KF концентрацией от 35 до 55 г/л, (выход за пределы концентраций от 35 до 55 г/л, дает отрицательный результат);

4) смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 5 до 15 г/л, дает отрицательный результат) и KF - от 30 до 50 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 30 до 50 г/л, дает отрицательный результат),

5) смеси NaF и KF при содержании NaF - от 3 до 14 г/л (выход за пределы концентраций NaF - от 3 до 14 г/л, дает отрицательный результат), и KF - от 35 до 60 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 35 до 60 г/л, дает отрицательный результат),

6) смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 4 до 12 г/л, дает отрицательный результат) и KF - от 35 до 55 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 35 до 55 г/л, дает отрицательный результат),

7) смеси NH₄F, NaF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 3 до 9 г/л, дает отрицательный результат), и KF - от 20 до 30 г/л, (выход за пределы концентраций KF -от 20 до 30 г/л, дает отрицательный результат), и NaF - от 10 до 25 г/л (выход за пределы концентраций NaF - от 10 до 25 г/л, дает отрицательный результат),

8) смеси NH₄F и HF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 5 до 15 г/л, дает отрицательный результат), и HF - от 3 до 5 г/л (выход за пределы концентраций HF от 3 до 5 г/л, дает отрицательный результат),

9) от 8 до 14% водном растворе NaNO₃ (выход за пределы концентраций NaNO₃ от 8 до 14%, дает отрицательный результат).

Вторая группа: блиска из титановых сплавов марок ВТ9, ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8. Блиск погружали в контейнер с электропроводящими пористыми гранулами, пропитанными электролитом состава водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л и проводили полирование при плотности тока 1,2 до 1,8 А/см² до достижения минимально возможной шероховатости поверхности.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Состав электролита: водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F (6 г/л - Н.Р., 8 г/л - У.Р., 10 г/л - У.Р., 12 г/л - У.Р., 14 г/л - У.Р., более 14 г/л - Н.Р.) и KF (32 г/л - Н.Р., 36 г/л - У.Р., 42 г/л - У.Р., 45 г/л - У.Р., 48 г/л - У.Р., 52 г/л - Н.Р.)

Третья группа: блиск из никелевых сплавов марок ЖС6У, ЖС32. Блиск погружали в контейнер с электропроводящими пористыми гранулами, пропитанными электролитом и проводили полирование при плотности тока 1,5 до 2,1 А/см² до достижения минимально возможной шероховатости поверхности.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Электропроводящие пористые гранулы, пропитанные электролитом состава водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6-9,0 г/литр (5,0 г/литр (Н.Р.), 6,0 г/литр (У.Р.), 7,0 г/литр (У.Р.), 8,0 г/литр (У.Р.), 10,0 г/литр (У.Р.), 12,0 г/литр (Н.Р.)) и при плотности тока 1,5 до 2,1 А/см² (1,3 А/см² (Н.Р.), 1,5 А/см² (У.P.), 1,6 А/см² (У.Р.), 1,9 А/см² (У.Р.), 2,1 А/см² (У.Р.), 2,3 А/см² (Н.Р.)).

По сравнению с известным способом полирования [WO 2017186992] производительность процесса обработки блиска из легированных сталей, титановых и никелевых сплавов по предлагаемому способу в среднем в 4,5-5,0 раза выше, а по сравнению со способом-прототипом патент США №6165345]. При этом качество и однородность поверхности лопатки значительно улучшается (при использовании прототипа [патент США №6165345] разброс значений шероховатости поверхности в среднем составляет Ra 0,30…0,04 мкм, а при обработке по предлагаемому способу составляет Ra 0,04…0,02 мкм).

Изобретение относится к электрополированию лопаток блиска и может быть использовано в турбомашиностроении. Способ включает электрохимическое полирование лопаток в среде гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул и ионный унос металла лопатки с удалением микровыступов с полируемой поверхности. Блиск погружают в контейнер с гранулами, осуществляют контакт с гранулами всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки, приводят гранулы в вибрационное движение, обеспечивающее равномерное омывание гранулами полируемой части лопатки блиска. Гранулы приводят в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта обрабатываемой лопатки блиска, наклоняя блиск под острым углом между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска. Устройство выполнено в виде металлического контейнера с открытым верхом, который снабжен токоподводами, вибратором, устройством для закрепления блиска и устройством для подъема и опускания блиска, его вращения, возвратно-поступательного перемещения и для изменения угла атаки между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска гранул и поперечной плоскостью блиска. Технический результат: повышение качества и однородности обработки поверхности лопаток блиска. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ электрополирования лопаток блиска, включающий электрохимическое полирование лопаток, отличающийся тем, что электрохимическое полирование проводят в среде гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул и ионный унос металла лопатки с удалением микровыступов с полируемой поверхности, при этом погружают блиск в контейнер с упомянутыми гранулами, осуществляют контакт с гранулами всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки, приводят упомянутые гранулы в вибрационное движение, обеспечивающее равномерное омывание гранулами полируемой части лопатки блиска, подают на блиск и гранулы электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла с поверхности обрабатываемой лопатки блиска и ее полирование в среде упомянутых гранул до получения заданной шероховатости полируемой поверхности, причем блиск погружают в упомянутые гранулы частично, охватывая только его сегмент на глубину, обеспечивающую полное погружение обрабатываемой лопатки блиска, находящейся в центре его сегмента, а гранулы приводят в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта обрабатываемой лопатки блиска, наклоняя блиск под острым углом между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска, причем блиск вращают относительно его продольной оси со скоростью, обеспечивающей полирование поверхности лопаток до получения заданной шероховатости по крайней мере за один цикл поворота блиска вокруг своей продольной оси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину острого угла между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку блиска потока гранул и поперечной плоскостью блиска берут равной от 30 до 45 угловых градусов, скорость потока гранул относительно обрабатываемой лопатки блиска составляет от 0,5 до 10 м/с, а длина пути упомянутого возвратно-поступательного движения составляет от 2 до 4 м, причем перед каждой сменой направления движения гранул относительно лопаток блиск наклоняют под упомянутым острым углом, а вибрационное движение гранул выбирают частотой 50-400 Гц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве анионитов упомянутых гранул используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации полистирола, или полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул выбирают из диапазона от 0,1 до 0,4 мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрополирование гранулами проводят, подавая на блиск положительный, а на гранулы отрицательный электрический потенциал от 25 до 35 В.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрополирование гранулами проводят в импульсном режиме со сменой полярности, при диапазоне частот импульсов от 20 до 100 Гц, периоде импульсов от 50 мкс до 10 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса - 20 А и их длительности 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что используют блиск, выполненный из легированной стали, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов, включающих NH₄F концентрацией от 6 до 24 г/л, или NaF концентрацией от 4 до 18 г/л, или KF концентрацией от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F от 5 до 15 г/л и KF от 30 до 50 г/л, или смеси NaF и KF при содержании NaF от 3 до 14 г/л и KF от 35 до 60 г/л, или смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F от 4 до 12 г/л и KF от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F, NaF и KF при содержании NH₄F от 3 до 9 г/л и KF от 20 до 30 г/л и NaF от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и HF при содержании NH₄F от 5 до 15 г/л и HF от 3 до 5 г/л, или NaNO₃при содержании от 8 до 14%, или в электролитах составов, мас. %: (NH₄)₂SO₄ - 5; Трилон Б - 0,8, или содержащий серную и ортофосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

серная кислота 10-30

ортофосфорная кислота 40-80

блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1

натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05

вода остальное

7. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что используют блиск, выполненный из титанового сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов, включающих раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F от 8 до 14 г/л и KF от 36 до 48 г/л или водный раствор с содержанием 30-50 г/л KF⋅2H₂O и 2-5 г/л CrO₃.

8. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что используют блиск, выполненный из никелевого сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутых гранул из анионитов используют один из следующих водных растворов, включающих водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6,0-9,0 г/л, или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8-3,4 г/л, или водный раствор, содержащий серную и ортофосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

серная кислота 10-30 ортофосфорная кислота 40-80 блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 вода остальное

9. Устройство для электрополирования лопаток блиска, выполненное в виде металлического электроизолированного с внешней стороны контейнера с открытым верхом, отличающееся тем, что контейнер снабжен токоподводами к нему и к электроизолированным от контейнера электродам вибратором, обеспечивающим вибрационное движение упомянутым гранулам частотой 50-400 Гц, устройством для закрепления блиска и устройством для подъема-опускания блиска, его вращения вокруг своей продольной оси, возвратно-поступательного перемещения блиска, изменения угла атаки между направлением набегающего на обрабатываемую лопатку потока гранул и поперечной плоскостью блиска от 15 до 90 угловых градусов.