Способ электрополирования металлической детали и установка для его реализации Российский патент 2022 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из металлов и сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик.

С повышением шероховатости поверхности ответственных металлических деталей, работающих в условиях воздействия значительных знакопеременных нагрузок, например валов, лопаток газовых турбин и т.п., резко снижаются их эксплуатационные характеристики. Качество обработки поверхности пера лопаток существенно влияет на их прочностные характеристики, так например, повышение класса чистоты поверхности способствует увеличению предела выносливости и статической прочности лопаток (В.Ф. Макаров, Е.Н. Бычина, А.О. Чуян. Математическое моделирование процесса полирования лопаток газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. №8 (85), 2011, с.11-14). Повышенная шероховатость поверхности лопаток газовых турбин приводит к ухудшению газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя (ГТД), к возрастанию аэродинамических потерь, приводящих к снижению КПД, к потере мощности, росту удельных расходов и к снижению экономичности двигателя или газотурбинной установки.

В то же время производство и ремонт деталей газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ), в связи с высокими требованиями к качеству поверхности (Ra≤0,32…0,16 мкм), характеризуется значительной трудоемкостью их финишной обработки. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Известен способ полирования поверхности детали кругом, при котором детали сообщают возвратно-поступательное перемещение относительно инструмента (А.С. СССР №1732604. МПК B24B 19/14. Способ полирования пера лопаток ГТД лепестковым кругом. Опубл. Бюл. № 1, 2014 г.), в котором полирование производят с деформацией лепесткового круга.

Однако применение в известных способах полирования поверхности детали механического воздействия вызывает ухудшение параметров качества поверхностного слоя материалов, что приводит к снижению ее эксплуатационных характеристик, особенно в случаях обработки таких деталей как лопатки турбины с тонким пером.

Наиболее перспективными методами обработки деталей сложной формы, в частности 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. 06.08.1986].

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 B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.1991].

Однако известные способы электрополирования не позволяют производить однородную обработку поверхности детали из металлического сплава, особенно деталей сложной формы.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является способ электрополирования металлической детали, включающий погружение детали в проводящую среду из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и упомянутую проводящую среду через введенный в упомянутую среду внешний электрод [ WO2017186992 - |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-прототип [WO2017186992] обладает низкой надежностью и не может быть использован для обработки поверхности ответственных деталей, таких как лопатки турбомашин, поскольку происходит хаотичное взаимодействие поверхности с гранулами, что приводит к неоднородной обработки поверхности, приводящих к снижению эксплуатационных характеристик обработанных деталей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и надежности обработки металлических деталей, особенно ответственных деталей сложной формы, таких как лопатки турбомашин, а также возможность заданного радиуса скругления входных и выходных кромок пера лопатки.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности обработки поверхности металлической детали за счет повышения однородности обработки ее поверхности, снижения вероятности появления дефектов.

Технический результат достигается за счет того, что в способе электрополирования металлической детали, включающем погружение детали в проводящую среду из гранул-анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул-анионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и упомянутую проводящую среду через введенный в упомянутую среду внешний электрод, в отличие от прототипа используют внешний электрод, охватывающий с зазором обрабатываемую деталь и выполненный в виде радиального лопастного колеса, с лопастями наклоненными вперед, в сторону вращения электрода, вращают упомянутый электрод, обеспечивая захват и перемещение гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности детали с обеспечением контакта всей полируемой поверхности детали с упомянутыми гранулами-анионитами и гранул-анионитов между собой и с упомянутым вращающимся внешним электродом.

Кроме того возможны следующие, дополнительные приемы выполнения способа: соотношение размера гранул-анионитов a и величины минимального зазора b между электродом и поверхностью детали выбирают не менее b = 10 a, и подают на деталь и гранулы-аниониты электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла с поверхности обрабатываемой детали и ее полирование в среде упомянутых гранул-анионитов до получения заданной шероховатости полируемой поверхности; в качестве материала упомянутых гранул-анионитов используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул-анионитов а выбирают из диапазона 0,1-0,4 мм, причем упомянутые гранулы-аниониты дополнительно приводят в вибрационное движение; электрополирование гранулами-анионитами проводят либо подавая на деталь положительный, а на гранулы-аниониты отрицательный электрический потенциал от 12 до 35 В, либо 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 от 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А и их длительности от 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; в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из легированной стали, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул- анионитов используют один из следующих водных растворов: NH₄F концентрацией от 6 до 24 г/л, или NаF 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 NаF и KF при содержании NаF 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 NaF от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F, NаF и KF при содержании NH₄F от 3 до 9 г/л, KF от 20 до 30 г/л и NaF от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и НF при содержании NH₄F от 5 до 15 г/л и НF от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водного раствора NaNO₃, или в электролитах составов, мас.%: (NH₄)₂SO₄ 5,Трилон Б 0,8, или в водном растворе, содержащем 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

в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из титанового сплава, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул-анионитов используют один из следующих водных растворов: водный 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 СrO₃; в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из никелевого сплава, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул- анионитов используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6-9,0 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

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является установка, содержащая источники электрического питания для электрополирования и осуществления рабочих движений механизмов установки, блок управления, рабочую емкость с гранулами-анионитами и внешним электродом, обеспечивающим электрический контакт с упомянутыми гранулами-анионитами, по крайней мере один держатель обрабатываемой детали, выполненный с возможностью размещения детали в среде упомянутых гранул-анионитов и перемещения гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности упомянутой детали с обеспечением подачи противоположных по знаку электрических потенциалов для электрополирования на внешний электрод и обрабатываемую деталь, устройство для обеспечения вибрации упомянутых гранул-анионитов [WO2017186992 - |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 известная установка для полирования [WO2017186992] обладает низкой надежностью и не может быть использован для обработки поверхности ответственных деталей, таких как лопатки турбомашин, поскольку происходит хаотичное взаимодействие поверхности с гранулами, что приводит к неоднородной обработки поверхности, приводящих к снижению эксплуатационных характеристик обработанных деталей.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности обработки поверхности металлической детали за счет повышения однородности обработки ее поверхности, снижения вероятности появления дефектов.

Технический результат достигается за счет того, что установка электрополирования деталей, содержащая источники электрического питания для электрополирования и осуществления рабочих движений механизмов установки, блок управления, рабочую емкость с гранулами-анионитами и внешним электродом, обеспечивающим электрический контакт с упомянутыми гранулами-анионитами, по крайней мере один держатель обрабатываемой детали, выполненный с возможностью размещения детали в среде упомянутых гранул-анионитов и перемещения гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности упомянутой детали с обеспечением подачи противоположных по знаку электрических потенциалов для электрополирования на внешний электрод и обрабатываемую деталь, в отличие от прототипа внешний электрод выполнен в виде радиального лопастного колеса, с возможностью вращения вокруг собственной оси, с лопастями наклоненными вперед, в сторону вращения электрода, обеспечивающий захват и перемещение гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности детали, а также устройство для обеспечения вибрации упомянутых гранул-анионитов.

Кроме того возможны следующие признаки установки: установка содержит дополнительные держатели деталей с индивидуальными для каждой детали упомянутыми внешними электродами с обеспечением одновременной обработки всех упомянутых деталей.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема перемещения гранул-анионитов при вращении радиального лопастного колеса. На фиг. 2 изображен внешний вид радиального лопастного колеса с помещенной в ее полость обрабатываемой деталью. На фиг 3 - внешний вид рабочей емкости установки с расположенными в ней радиальными лопастными колесами (внешними электродами). Фигуры с 1 по 3 содержат: 1 обрабатываемая деталь, 2 - внешний электрод, 3 гранулы-аниониты, 4 лопасть , 5 рабочая емкость, 6 вал колеса, 7 вал привода, ω₁ угловая скорость вращения радиального лопастного колеса , ω₂ угловая скорость вращения обрабатываемой детали. (Красными стрелками обозначены направления движения гранул-анионитов, круговыми стрелками - направление вращения радиального лопастного колеса (синяя стрелка) и обрабатываемой детали (черная стрелка)).

Заявляемый способ электрополирования детали, в частности поверхности пера лопатки в процессе его полирования и работа установки осуществляется следующим образом.

На держателе закрепляют обрабатываемую деталь 1 и размещают ее в рабочую емкость 5 внутри внешнего электрода 2 (фиг.1 и фиг 2), таким образом, чтобы вся обрабатываемая поверхность детали была полностью погружена в рабочую среду из гранул-анионитов 3. Приводят во вращательное движение внешний электрод 2 (ω₁), выполненный в виде радиального лопастного колеса, причем направление его вращения осуществляют лопастями наклоненными вперед (в сторону вращения внешний электрод 2). При вращении внешний электрод 2 обеспечивает захват и перемещение гранул относительно обрабатываемой поверхности детали 1. При этом, должен обеспечиваться электрический контакт всей полируемой поверхности детали 1 с гранулами-анионитами 3, а гранул-анионитов 3 между собой и с вращающимся электродом 2. При этом возникает интенсивное перемещение гранул-анионитов 3 относительно друг друга, а также относительно обрабатываемой детали 1 и вращающегося электрода 2. Тем самым создаются благоприятные условия для протекания процессов электрохимического массобмена, что обеспечивает однородный ионный унос материала с обрабатываемой детали 1. Последнее обстоятельство приводит к повышению качества и производительности электрополирования. Этому также способствует близкое расположение внешнего электрода 2 к поверхности обрабатываемой детали 1, приводящее к снижению электрического сопротивления системы «электрод-гранулы-деталь».

Для повышения однородности обработки, в случае обработки деталей сложной формы можно также дополнительно воздействовать на систему «электрод-гранулы-деталь» вибрацией и/или приводить деталь во вращение (фиг.1, ω₂). Вибрационное движение детали 1 относительно охватывающего электрода 2 можно осуществлять при возвратно-поступательном движении детали 1 , вдоль ее продольной оси, например с частотой от 30 до 200 Гц, амплитудой от 0,1 до 2 мм.

При необходимости повышения производительности обработки, можно использовать установку для электрополирования с несколькими внешними электродами 2 (фиг.3).

Электрополирование детали 1 (фиг.1) проводят посредством протекания электрохимических процессов (ионного уноса материала детали 1) между деталью 1 и внешним электродом 2 через гранулы-аниониты, пропитанные раствором электролита, обеспечивающего их электропроводность и ионный унос металла с поверхности детали 1 с удалением с нее микровыступов.

Соотношение размера гранул a и величины минимального зазора b между электродом и поверхностью детали выбирают не менее b = 10 a, и подают на деталь и гранулы электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла с поверхности обрабатываемой детали и ее полирование в среде гранул-анионитов до получения заданной шероховатости полируемой поверхности.

В качестве гранул используют ионообменные смолы полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола. Средние размеры гранул-анионитов выбирают из диапазона от 0,05 до 0,6 мм.

Электрополирование проводят либо подавая на деталь 1 положительный, а на внешний электрод 2 отрицательный электрический потенциал, величиной от 12 до 35 В, либо в импульном режиме со сменой полярности, при диапазоне частот импульсов 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 лопатки турбомашины, выполненной из легированной стали, в качестве электролитов для пропитки гранул-анионитов 3 используют один из следующих водных растворов: или NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л, или NаF, 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 NаF и KF при содержании NаF - 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 , NаF 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 НF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и НF - от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водном растворе NaNO_3, 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.

При полировании лопатки турбомашины выполненной из титанового сплава, в качестве электролитов для пропитки гранул-анионитов 3 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 СrO₃.

При полировании лопатки турбомашины выполненной из никелевого сплава, в качестве электролитов для пропитки гранул-анионитов 3 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 пера лопатки.

Были проведены также следующие исследования по полированию деталей (лопаток турбомашин) из легированых сталей, никелевых и титановых сплавов. Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат, при котором на полируемой поверхности не наблюдался эффект полирования или происходило недопустимое изменение геометрии пера лопатки. При отсутствии дефектов на поверхности детали результат признавался удовлетворительным (У.Р.)

Во всех случаях, следующие режимы обработки деталей оказались универсальными.

Применяемые гранулы-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 A520E, Lewatit S 6328 A (на основе сополимера стирол-дивинилбензола), «Lewatit М500», «Lewatit MonoPlus MК 51», «Lewatit MonoPlus MP 68 », Purolite C150E, Purolite A-860 (макропористая сильноосновная анионообменная смола основанная на акрилатах), анионит сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Перечисленные гранулы-аниониты, пропитанные вышеприведенными составами электролитов, показали положительный результат при полировании лопаток из легированных сталей.

При импульном режиме со сменой полярности:

- диапазон частот импульсов от 20 до 100 Гц: 15Гц (Н.Р.), 20Гц (У.Р.), 40Гц (У.Р.), 60Гц (У.Р.), 80Гц (У.Р.), 100Гц (У.Р.), 120Гц (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.).

При режиме без смены полярности: электрополирование проводили подавая на деталь положительный, а на внешний электрод отрицательный электрический потенциал от 12 до 35 В: 8 В (Н.Р.), 12 В (У.Р.), 20 В (У.Р.), 30 В (У.Р.), 35 В (У.Р.), 45 В (Н.Р.),

Первая группа: детали из легированных сталей.

Обработке подвергались детали (образцы и лопатки) из легированных сталей ЭП718-ИД, ВЖ105-ИД, ЭП718-ПД, ВЖ105-ПД.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Применяемые электролиты для пропитки гранул-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) NаF, 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 NаF и KF при содержании NаF - от 3 до 14 г/л (выход за пределы концентраций NаF - 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 , NаF 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 НF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 5 до 15 г/л, дает отрицательный результат), и НF - от 3 до 5 г/л (выход за пределы концентраций НF 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: детали (образцы и лопатки) из титановых сплавов марок ВТ9, ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8. Лопатки обрабатывали гранулами-анионитами, 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., более14 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: детали (образцы и лопатки) из никелевых сплавов марок ЖС6У, ЖС32. Лопатки обрабатывали гранулами-анионитами, 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.

Гранулы-аниониты, 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.Р.), 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 [WO2017186992] при обработке пера лопатки из легированных сталей, никелевых и титановых сплавов по предлагаемому способу образование дефектов в виде неполированных участков поверхности, недопустимых изменений геометрии пера лопатки практически не наблюдалось, в то время как при обработке по известному способу полирования [WO2017186992] происходило образование перечисленных дефектов. В среднем, при обработке по способу-прототипу [WO2017186992] наблюдалось около 77% случает возникновения дефекта в виде изменения геометрии пера лопатки.

Таким образом, предложенный способ электрополирования детали позволил достигнуть поставленного в изобретении технического результата - повышение качества и надежности обработки поверхности металлической детали за счет повышения однородности обработки ее поверхности, снижения вероятности появления дефектов.

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из металлов и сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик. Способ включает погружение детали в проводящую среду из гранул-анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и проводящую среду через введенный в среду внешний электрод. При этом внешний электрод выполнен в виде радиального лопастного колеса, который вращаясь, обеспечивает захват и перемещение гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности детали. Установка содержит источники электрического питания, блок управления, рабочую емкость с гранулами-анионитами и внешним электродом, обеспечивающим электрический контакт с гранулами-анионитами, и по крайней мере один держатель обрабатываемой детали, выполненный с возможностью размещения детали в среде гранул-анионитов и перемещения гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности. Технический результат: повышение качества и надежности обработки поверхности металлической детали за счет повышения однородности обработки ее поверхности, снижения вероятности появления дефектов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электрополирования металлической детали, включающий погружение детали в проводящую среду из гранул-анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул-анионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и упомянутую проводящую среду через введенный в упомянутую среду внешний электрод, отличающийся тем, что используют внешний электрод, охватывающий с зазором обрабатываемую деталь и выполненный в виде радиального лопастного колеса с лопастями, наклоненными вперед, в сторону вращения электрода, вращают упомянутый электрод, обеспечивая захват и перемещение гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности детали с обеспечением контакта всей полируемой поверхности детали с упомянутыми гранулами-анионитами и гранул-анионитов между собой и с упомянутым вращающимся внешним электродом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение размера гранул-анионитов a и величины минимального зазора b между электродом и поверхностью детали выбирают не менее b = 10 a, и подают на деталь и гранулы-аниониты электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла с поверхности обрабатываемой детали и ее полирование в среде упомянутых гранул-анионитов до получения заданной шероховатости полируемой поверхности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала упомянутых гранул-анионитов используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул-анионитов а выбирают из диапазона 0,1-0,4 мм, причем упомянутые гранулы-аниониты дополнительно приводят в вибрационное движение.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрополирование гранулами-анионитами проводят либо подавая на деталь положительный, а на гранулы-аниониты отрицательный электрический потенциал от 12 до 35 В, либо в импульсном режиме со сменой полярности при диапазоне частот импульсов от 20 до 100 Гц, периоде импульсов от 50 до 10 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности от 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А и их длительности от 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 до 9,2 мкс.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электрополирование гранулами-анионитами проводят либо подавая на деталь положительный, а на гранулы-аниониты отрицательный электрический потенциал от 12 до 35 В, либо 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 от 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса -20 А и их длительности от 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 до 9,2 мкс.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из легированной стали, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул- анионитов используют один из следующих водных растворов: NH₄F концентрацией от 6 до 24 г/л, или NаF 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 NаF и KF при содержании NаF 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 NaF от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F, NаF и KF при содержании NH₄F от 3 до 9 г/л, KF от 20 до 30 г/л и NaF от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и НF при содержании NH₄F от 5 до 15 г/л и НF от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водного раствора NaNO₃, или в электролитах составов, мас.%: (NH₄)₂SO₄ 5,Трилон Б 0,8, или в водном растворе, содержащем 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. 1-4, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из титанового сплава, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул- анионитов используют один из следующих водных растворов: водный 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 СrO₃.

8. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины, выполненную из никелевого сплава, а в качестве электролита для пропитки упомянутых гранул- анионитов используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6-9,0 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. Установка для электрополирования металлической детали, содержащая источники электрического питания для электрополирования и осуществления рабочих движений механизмов установки, блок управления, рабочую емкость с гранулами-анионитами и внешним электродом, обеспечивающим электрический контакт с упомянутыми гранулами-анионитами, и по крайней мере один держатель обрабатываемой детали, выполненный с возможностью размещения детали в среде упомянутых гранул-анионитов и перемещения гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности упомянутой детали с обеспечением подачи противоположных по знаку электрических потенциалов для электрополирования на внешний электрод и обрабатываемую деталь, отличающаяся тем, что упомянутый внешний электрод выполнен в виде радиального лопастного колеса, с возможностью вращения вокруг собственной оси, с лопастями, наклоненными вперед, в сторону вращения электрода, обеспечивающий захват и перемещение гранул-анионитов относительно обрабатываемой поверхности детали.

10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что содержит дополнительные держатели деталей с индивидуальными для каждой детали упомянутыми внешними электродами с обеспечением одновременной обработки всех упомянутых деталей, а также устройство для обеспечения вибрации упомянутых гранул-анионитов.