Способ сухого электрополирования детали из алюминиевого сплава Российский патент 2024 года по МПК C25F3/16 C25F3/20 

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

С повышением шероховатости поверхности ответственных деталей, работающих в условиях воздействия значительных механических нагрузок, например, центробежных колес, лопаток компрессора и детандера, резко снижаются их эксплуатационные характеристики. Качество обработки поверхностей пера 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 [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 сухого электрополирования детали, включающий предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование, погружение детали в проводящую среду из гранул-ионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул-ионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и проводящую среду через введенный в нее 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. 02.11.2017].

Однако известный способ-прототип обладает низкой надежностью и не может быть использован для обработки поверхности ответственных деталей, выполненных из алюминия и алюминиевых сплавов, поскольку наличие электроизолирующей оксидной пленки на их поверхности препятствует протеканию электрохимических процессов ионного уноса материала с поверхности обрабатываемой детали.

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

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 сухого электрополирования детали из алюминиевого сплава, включающем предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование, погружение детали в проводящую среду из гранул-ионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул-ионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и проводящую среду через введенный в нее внешний электрод, в отличие от прототипа, предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование осуществляют цинкатной обработкой, а электрополирование проводят до полного удаления пленки, образованной в результате цинкатной обработки.

Кроме того, возможны следующие дополнительные приемы выполнения способа: в качестве электролита для пропитки гранул-ионитов используется водный раствор NaCl концентрацией от 8% до 11% или водный раствор щелочи рН 11-14; цинкатную обработку проводят в водном растворе концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH при 60-70°C в течение времени от 1,5 мин до 3 мин; в качестве щелочи используют NaOH или КОН; в качестве материала гранул-ионитов используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул-ионитов выбирают из диапазона от 0,1 мм до 0,8 мм, причем гранулы-иониты дополнительно приводят в вибрационное движение; электрополирование гранулами-ионитами проводят либо подавая на деталь положительный, а на гранулы-иониты 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.

Заявляемый способ сухого электрополирования детали из алюминиевого сплава, в частности поверхности пера лопатки в процессе его полирования, осуществляется следующим образом.

Вначале проводят предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование методом цинкатной обработки.

Процесс цинкатной обработки целесообразнее проводить по способу двойной обработки с предварительной очисткой поверхности детали: очистка в концентрированной азотной кислоте (50-58%) в течение 10-12 секунд с последующей промывкой в дистиллированной воде. Затем помещают обрабатываемую деталь в ванну раствором для цинкатной обработки (например, состава оксид цинка с концентрацией – 15 г/л и гидроксид натрия – 100 г/л). Первая цинкатная обработка в течение 15-20 секунд, затем второй этап цинкатной обработки в течение 2-3 минут с последующей промывкой в воде (проточной воде в течение 4-7 минут, при температуре 40-50°С).

Затем детали погружают в проводящую среду из гранул-ионитов, пропитанных раствором электролита (например, электролитом в виде раствора щелочи NaOH, обеспечивающий рН 11-14). В результате цинкатной обработки происходит удаление оксидной пленки с поверхности обрабатываемой детали и формируется электропроводная металлическая пленка с содержанием цинка.

Электропроводность гранул-ионитов должна обеспечивать ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на обрабатываемую деталь и проводящую среду через введенный в нее внешний электрод. При этом должен обеспечиваться электрический контакт всей полируемой поверхности детали с гранулами-ионитами, а гранул-ионитов между собой и с внешним электродом. При этом возникает интенсивное перемещение гранул-ионитов относительно друг друга, а также относительно обрабатываемой детали. Тем самым создаются благоприятные условия для протекания процессов электрохимического массобмена, что обеспечивает однородный ионный унос материала с обрабатываемой детали. Последнее обстоятельство приводит к повышению качества и производительности электрополирования.

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. Вибрационное движение детали относительно гранул-ионитов можно обеспечивать возвратно-поступательным движением детали 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.

Электрополирование детали проводят посредством протекания электрохимических процессов (ионного уноса материала детали 1) между деталью и внешним электродом через гранулы-иониты, пропитанные раствором электролита, обеспечивающим их электропроводность и ионный унос металла с поверхности детали с удалением с нее микровыступов. При этом отсутствие оксидной пленки на поверхности обрабатываемой детали из алюминиевого сплава, обеспеченным за счет предварительной цинкатной обработки, способствует протеканию электрических процессов и полированию поверхности детали.

В качестве гранул используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола. Средние размеры гранул-анионитов выбирают из диапазона от 0,1 до 0,8 мм.

Электрополирование проводят либо подавая на деталь положительный, а на внешний электрод 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 использовались детали из алюминиевого сплава Д16 и АА2139.

Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности детали.

Были проведены также следующие исследования по полированию деталей из алюминиевого сплава 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.

При обработке по условиям и режимам по способу-прототипу [WO2017186992] практически полирования не происходило из-за наличия оксидной пленки на поверхности деталей.

Применяемые гранулы-иониты - 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-иониты, пропитанные приведенными ниже составами электролитов, показали положительный результат.

При импульном режиме со сменой полярности:

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

Применяемые электролиты для пропитки гранул-ионитов по предлагаемому способу:

- первая группа: водный раствор соли NaCl (от 8 % до 11% весовых) (6,0 % (Н.Р.), 8,0 % (У.Р.), 11,0 % (У.Р.), 13,0 % (Н.Р.);

- вторая группа: щелочи NaOH и КОН, обеспечивающие рН 9 (Н.Р.); рН 11(У.Р.); рН 11(У.Р.); рН 12(У.Р.); рН 14(У.Р.); рН 16(Н.Р.).

Цинкатная обработка, состав:

- первый вариант: водный раствор концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH: 50°C - (Н.Р.), 60°C - (У.Р.), 70°C - (У.Р.), 80°C - (Н.Р.). Время обработки 1,0 мин (Н.Р.), 1,5 мин (У.Р.), 2,0 мин (У.Р.), 3,0 мин (У.Р.), 4,0 мин (Н.Р.);

- второй вариант: щелочной раствор, содержащий, г/л: тринатрийфосфат - 20 г/л (Н.Р.), 30 г/л (У.Р.), 50 г/л (У.Р.), 70 г/л (У.Р.), 80 г/л (Н.Р.); кальцинированная сода - 5 г/л (Н.Р.), 10 г/л (У.Р.), 20 г/л (У.Р.), 30 г/л (Н.Р.);

-третий вариант: оксид цинка с концентрацией: 15 г/л и гидроксид натрия – 100 г/л.

Время обработки 1,0 мин (Н.Р.), 1,5 мин (У.Р.), 2,0 мин (У.Р.), 3,0 мин (У.Р.), 4,0 мин (Н.Р.).

По сравнению с известным способом полирования [WO2017186992] при обработке пера лопатки из алиминиевого сплава 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 [WO2017186992] полирования поверхности детали практически не было осуществлено из-за наличия на поверхности оксидной пленки, препятствующей ионному уносу материала детали.

Таким образом, предложенный способ сухого электрополирования детали из алюминиевого сплава позволил достигнуть поставленного в изобретении технического результата - повышения 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 алюминия и его сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей деталей турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик. Способ включает предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование, погружение детали в проводящую среду из гранул-ионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул-ионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и проводящую среду через введенный в нее внешний электрод, предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование осуществляют цинкатной обработкой, а электрополирование проводят до полного удаления пленки, образованной в результате цинкатной обработки. Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности обработки поверхности металлической детали за счет повышения однородности обработки ее поверхности, снижения вероятности появления дефектов. 1 пр.

Способ сухого электрополирования детали из алюминиевого сплава, включающий предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование, погружение детали в проводящую среду из гранул-ионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул-ионитов и ионный унос металла с поверхности детали с удалением микровыступов при подаче противоположного по знаку электрического потенциала на деталь и проводящую среду через введенный в нее внешний электрод, отличающийся тем, что предварительную подготовку поверхности детали под электрополирование осуществляют цинкатной обработкой, а электрополирование проводят до полного удаления пленки, образованной в результате цинкатной обработки, причем в качестве электролита для пропитки гранул-ионитов используют водный раствор NaCl концентрацией от 8 вес. % до 11 вес. %, а цинкатную обработку проводят в водном растворе концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH, при 60-70°C в течение времени от 1,5 мин до 3 мин, а в качестве материала гранул-ионитов используют ионообменные смолы, полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры гранул-ионитов выбирают из диапазона от 0,1 мм до 0,8 мм, при этом гранулы-иониты дополнительно приводят в вибрационное движение, причем электрополирование гранулами-ионитами проводят 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.