СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБОМАШИНЫ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Российский патент 2024 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке металлических деталей и может быть использовано для полирования лопаток турбомашин из титановых сплавов.

Лопатки турбин обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи 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 [Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также Патент РБ№ 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ N1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ N3], а также способ электрохимического полирования [Патент США N 5028304, кл. В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].

Известен также способ электролитно-плазменного полирования (ЭПП) детали из металлических сплавов, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. опубл. в Бюл. №32, 2009].

Однако известные способы ЭПП не позволяют стабилизировать равномерность обработки поверхности детали.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины из титанового сплава, включающий погружение лопатки в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала (патент РФ №2725516, МПК C25F 3/16. Опубл.: Бюл. №19, 2020).

Недостатком прототипа является невозможность стабилизации равномерности обработки поверхности детали сложной формы, такой, например, как лопатка турбомашины.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа, повышающего качество и надежность обработки деталей сложной формы, таких как лопатки турбомашин из титановых сплавов.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение равномерного полирования поверхности лопаток турбомашин из титановых сплавов при одновременном повышении производительности их обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины из титанового сплава, включающем погружение лопатки в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, в отличие от прототипа, магнитное поле создают протяженным магнитом при расположении его продольной оси вдоль продольной оси лопатки при продольном размере магнита, превышающем продольный размер пера лопатки, причем в процессе полирования лопатку вращают относительно ее продольной оси при обеспечении постоянной дистанции между магнитом и лопаткой в диапазоне от 2 до 14 мм за счет возвратно-поступательного движения лопатки и магнита относительно друг друга в направлении, пересекающем продольные оси магнита и лопатки.

Кроме того возможны следующие дополнительные приемы выполнения способа: в процессе полирования вокруг обрабатываемой лопатки обеспечивают постоянное магнитное поле равномерной напряженности в диапазоне 50-500 кА/м по всей обрабатываемой поверхности, подавая на неё положительный электрический потенциал, выбираемый из диапазона от 280 до 350 В; магнитное поле создают электромагнитом; полирование лопатки осуществляют в водном растворе электролита с содержанием от 3 до 7 вес. % гидроксиламина солянокислого и от 0,7 до 0,8 вес.% NaF или KF при температуре от 74°С до 86°С до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08-0,12 мкм.

Наличие магнитного поля позволяет равномерно распределить заряженные частицы по обрабатываемой поверхности, а также повысить их концентрацию в области обрабатываемой поверхности за счет их «захвата» магнитным полем (Физика плазмы для физиков. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З., 1979 г.).

Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются описанием процесса обработки и нижеприведенными примерами.

На фиг. 1 представлена схема электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины. На фиг. 2 - поверхности обработанных лопаток (а - поверхность пера лопатки, обработанная без обеспечения постоянной дистанции L_i; b - поверхность пера лопатки, обработанная при постоянной дистанции L_i.) Фигуры содержат: 1 -лопатка, 2 - ванна, 3 - электролит, 4 - парогазовая оболочка, 5 - магнит, 6 - держатель детали, 7 - устройство для перемещения лопатки, 8 - парогазовая оболочка. О₁-О₁^' - продольная ось лопатки, О₂-О₂^' - продольная ось протяженного магнита, L_i -дистанция между магнитом и лопаткой, а - толщина парогазовой оболочки, ω - вращение лопатки вокруг своей продольной оси.

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины из титанового сплава осуществляется следующим образом. Обрабатываемую лопатку 1 (фиг.1) погружают в ванну 2 с водным раствором электролита 3, к лопатке 1 по всей обрабатываемой ее поверхности прикладывают магнитное поле магнитом 5, прикладывают к лопатке 1 положительное напряжение, а к электролиту 3 - отрицательное напряжение (анодная обработка), в результате чего при напряжении порядка от 280 до 350 В вокруг лопатки 1 образуется парогазовая оболочка 8 и возникает разряд между обрабатываемой поверхностью лопатки 1 и электролитом 3. Причем благодаря наличию магнитного поля процесс полирования поверхности лопатки 1 происходит преимущественно в зоне действия магнитного поля. В процессе полирования лопатку 1 вращают относительно её продольной оси, а при её повороте изменяют дистанцию между магнитом 5 и лопаткой 1, обеспечивая её постоянное значение. При полировании магнитное поле создают протяженным магнитом 5 при расположении его продольной оси вдоль продольной оси лопатки при величине продольного размера магнита, превышающего продольный размер пера лопатки, причем в процессе полирования лопатку вращают относительно ее продольной оси О₁-О₁^/ при обеспечении постоянной дистанции L_i между магнитом 5 и лопаткой 1 величиной, выбираемой из диапазона от 2 до 14 мм. Постоянство дистанции L_i обеспечивается утройством 7, обеспечивающим возвратно-поступательное движение лопатки 1 и магнита 5 относительно друг друга в направлении, пересекающем продольные оси О₂-О₂^' магнита 5 и оси О₁-О₁^' лопатки 1. При этом параллельное расположение указанных осей О₁-О₁^' и О₂-О₂^' является наиболее благоприятным вариантом. В то же время, из-за сложной конфигурации лопатки 1, в ряде случаев параллельное расположение указанных осей не всегда является рациональным. В этом случае обеспечение равномерности полирования обеспечивается возможностью расположения их продольной оси О₂-О₂^' протяженного магнита вдоль направления продольной оси лопатки 1 О₁-О₁^/' В ряде случаев для обеспечения постоянства дистанции L_i возможно изменения угла наклона указанных осей относительно друг друга в соответствие с конфигурацией лопатки 1.

В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки и равномерного магнитного поля.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности лопатки 1 и образование вокруг нее парогазовой оболочки 8. Излишняя теплота, возникающая при нагреве лопатки 1 и электролита 3, отводится через систему охлаждения (не показана). При этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между лопаткой 1 и электролитом 3) в парогазовой оболочке 8 возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой лопаткой 1 и средой парогазовой оболочки 8. При этом толщина парогазовой оболочки а в результате действия архимедовой силы изменяется, сужаясь по мере опускания вниз, что сказывается на равномерности обработки лопатки 1. В этой связи магнитное поле как технологический параметр доминирует над толщиной парогазовой оболочки а, позволяя стабилизировать процессы обработки, а также увеличить концентрацию ионов в парогазовой оболочке, что обеспечивает повышение производительности процесса полирования.

В процессе полирования лопатки 1 парогазовый слой 8 состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.

Пример. Обрабатываемые образцы лопаток из титанового сплава ВТ6 погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Обеспечивали постоянное магнитное поле напряженностью в диапазонах от 50 до 500 кА/м. Полирование поверхности пера лопатки производили, прикладывая к обрабатываемой лопатке электрический потенциал величиной от 280 до 350 В, используя постоянное магнитное поле напряженностью 50-500 кА/м и проводили полирование до достижения требуемой величины шероховатости поверхности. Полирование проводили в среде электролита: водный раствор с содержанием: гидроксиламина солянокислого чистого: 2 вес. % - Н.Р.; 3 вес. % - У.Р.; 4 вес. % - У.Р.; 5 вес. % - У.Р.; 7 вес. % - У.Р.; 8 вес. % - Н.Р.; с содержанием: NaF или KF: 0,6 вес. % - Н.Р.; 0,7 вес. % - У.Р.; 0,8 вес. % - У.Р.; 0,9 вес. % - Н.Р.; температура обработки: 70°С - Н.Р.; 74°С- У.Р.; 74°С - У.Р.; 78°С - У.Р.; 82°С - У.Р.; 86°С - У.Р.; 90°С - Н.Р.

Кроме того, в ряде случаев в состав электролита дополнительно вводили поверхностно-активные вещества в концентрации 0,6-1,2%. При обработке проводили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 65…80°С).

Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат, при котором отсутствовал эффект полирования или уменьшения шероховатости поверхности детали, не обеспечивалась равномерность обработки поверхности и производительность процесса не превышала производительность процесса обработки по способу-прототипу в 1,2 раза.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Электрический потенциал (напряжение): 270 В - Н.Р.; 280 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 290 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 350 В - У.Р.; 400 В - Н.Р.

Магнитное поле напряженностью: 40 кА/м - Н.Р.; 50 кА/м - У.Р.; 100 кА/м - У.Р.; 150 кА/м - У.Р.; 200 кА/м - У.Р.; 250 кА/м - У.Р.; 300 кА/м - У.Р.; 350 кА/м - У.Р.; 400 кА/м - У.Р.; 450 кА/м - У.Р.; 500 кА/м - У.Р.; 550 кА/м - Н.Р.

По сравнению с известным способом полирования (патент РФ №2357019) производительность процесса по предлагаемому способу в среднем в 2,5-3 раза выше, а разброс значений шероховатости поверхности при обработке по предлагаемому способу составляет Ra 0,35…0,02 мкм, в то время, как по прототипу - Ra 0,65…0,03 мкм (фиг.2).

Таким образом, предложенный способ электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины из титанового сплава позволит достигнуть поставленного в изобретении технического результата - обеспечение равномерного полирования поверхности лопаток турбомашин из титановых сплавов при одновременном повышении производительности их обработки.

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке металлических деталей и может быть использовано для полирования лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает погружение лопатки в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала. При этом магнитное поле создают протяженным магнитом при расположении его продольной оси вдоль продольной оси лопатки при продольном размере магнита, превышающем продольный размер пера лопатки, причем в процессе полирования лопатку вращают относительно ее продольной оси при обеспечении постоянной дистанции между магнитом и лопаткой в диапазоне от 2 до 14 мм за счет возвратно-поступательного движения лопатки и магнита относительно друг друга в направлении, пересекающем продольные оси магнита и лопатки. Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение равномерного полирования поверхности лопаток турбомашин из титановых сплавов при одновременном повышении производительности их обработки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ электролитно-плазменного полирования лопатки турбомашины из титанового сплава, включающий погружение лопатки в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, отличающийся тем, что магнитное поле создают протяженным магнитом при расположении его продольной оси вдоль продольной оси лопатки при продольном размере магнита, превышающем продольный размер пера лопатки, причем в процессе полирования лопатку вращают относительно ее продольной оси при обеспечении постоянной дистанции между магнитом и лопаткой в диапазоне от 2 до 14 мм за счет возвратно-поступательного движения лопатки и магнита относительно друг друга в направлении, пересекающем продольные оси магнита и лопатки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе полирования вокруг обрабатываемой лопатки обеспечивают постоянное магнитное поле равномерной напряженности в диапазоне 50-500 кА/м по всей обрабатываемой поверхности, подавая на неё положительный электрический потенциал, выбираемый из диапазона от 280 до 350 В.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитное поле создают электромагнитом.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что полирование лопатки осуществляют в водном растворе электролита с содержанием от 3 до 7 вес.% гидроксиламина солянокислого и от 0,7 до 0,8 вес.% NaF или KF при температуре от 74°С до 86°С до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08-0,12 мкм.