СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ДЕТАЛИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C25F3/16 

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

Ответственные детали машин, аппаратов и турбомашин, например такие как рабочие лопатки компрессоров, обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, часто 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 таких деталей, как лопатки 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, кл. 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], а также способ электрохимического полирования [Патент США № 5028304, кл. В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].

Известен также способ ЭПП детали из металлических сплавов, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки (ПГО) и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала (RU 2373306 C2).

Однако известные способы ЭПП не позволяют стабилизировать равномерность обработки поверхности детали и производить одновременную обработку всей поверхности детали, имеющей большие размеры.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования детали, включающий погружение ее в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали ПГО и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала (RU 2725516 C1).

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения одновременной обработки всей поверхности детали большего размера, в связи с необходимостью подачи значительного электрического потенциала на деталь, вызывающего перегрев электролита и детали. В этой связи, при обработке деталей больших размеров используют последовательную обработку ее участков, как, например, это осуществляется в известных способах (RU 2694684 C1, RU 2693235 C1)

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа, повышающего качество и надежность обработки деталей больших размеров, таких, например как моноколеса с лопатками (блиски).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение равномерного полирования поверхности детали большого размера при одновременной обработке всей или большей части его полируемой поверхности.

Технический результат достигается тем, что в способе электролитно-плазменного полирования детали в магнитном поле, включающем погружение детали 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, полирование ведут при пониженном давлении, выбираемом из диапазона от 0,9 до 4 кПа, при температуре электролита, выбираемой из диапазона от 7 до 30°С и при подаче на обрабатываемую деталь положительного потенциала, выбираемого из диапазона от 10 до 80 В.

Кроме того возможны следующие дополнительные приемы выполнения способа: осуществляют полирование детали из титанового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 3 до 7 вес. % гидроксиламина солянокислого с содержанием от 0,7 до 0,8 вес. % NaF или KF, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08-0,12 мкм при температуре от 14°С до 26°С; осуществляют полирование детали из никелевого или хромоникелевого сплава, а в качестве электролита используют 4-8%-ный водный раствор сульфата аммония, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08-0,12 мкм при температуре от 12 до 24°С; осуществляют полирование детали из медных сплавов, а в качестве электролита используют водный раствор аммонийных солей, содержащий фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас. %: фтористый аммоний 1-3%, аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь 1-5, а полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08-0,12 мкм при температуре от 12 до 24°С. в процессе полирования вокруг обрабатываемой детали обеспечивают постоянное магнитное поле равномерной напряженности, выбирая его значение из диапазона от 50 до 500 кА/м; магнитное поле создают электромагнитом, а в качестве обрабатываемой детали используют лопатку турбомашины.

Наличие магнитного поля в сочетании с формированием ПГО при низких значениях электрического потенциала, обеспечивает создание в ПГО преимущественно плазменной составляющей, управление которой наложенным магнитным полем позволяет равномерно, в соответствии с напряженностью магнитного поля, распределять заряженные частицы по обрабатываемой поверхности, а также повысить их концентрацию в обрабатываемой области поверхности за счет их «захвата» магнитным полем (Физика плазмы для физиков. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З., 1979 г.).

Полирование в разряженной атмосфере, в диапазоне порядка от 0,9 до 4 кПа позволяет снизить температуру кипения электролита и обеспечить образование парогазовой оболочки (ПГО), соответственно при температурах электролита порядка от 7 до 30°С. Поскольку, традиационные способы ЭПП (например, RU 2694684 C1, RU 2693235 C1) проводят при подаче электрического потенциала на деталь более 280 В, необходимого для создания ПГО вокруг обрабатываемой детали, то для деталей больших размеров (с большой площадью обработки) требуется подача значительной энергии, что приводит к перегреву электролита и нарушению процесса полирования. Снижение же температуры кипения электролита, как это предлагается в заявляемом способе, позволяет осуществить образование ПГО при подаче меньшего электрического потенциала (порядка 10 В и более) на обрабатываемую деталь, что требует меньшей удельной энергии на единицу обрабатываемой площади детали. Учитывая то, что ЭПП характеризуется сочетанием электрохимического, микроэлектроэрозионного и плазменного процессов, происходящих на поверхности обрабатываемой детали (Куликов, И. С. Электролитно-плазменная обработка материалов / И. С. Куликов, С. В. Ващенко, А. Я. Каменев. - Минск: Беларус. навука, 2010. - 232 с. - ISBN 978-985-08-1215-5), то осуществление ЭПП при пониженном давлении, обеспечивающим образование ПГО при подаче на деталь относительно небольшого по величине (от 10 В) электрического потенциала, позволяет уменьшить долю в ЭПП микроэлектроэрозионных процессов, что также приводит к повышению качества полирования из-за уменьшения оплавления поверхности, возникающего при воздействии микроэлектропробоев.

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

На чертеже представлена схема электролитно-плазменного полирования детали в разряженной атмосфере, которая содержит: 1 - рабочая емкость, 2 - деталь, 3 - электролит, 4 - насос для электролита, 5 - охлаждающая вода, 6 - теплообменник, 7 - вакуумный насос, 8 - магнит. 9 - крышка рабочей емкости. Стрелки показывают направление движения электролита, направление откачки парогазовой среды, направление движения охлаждающей среды (например, воды).

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования детали в магнитном поле в разряженной атмосфере осуществляется следующим образом. В герметичную рабочую емкость 1, наполненную электролитом 3, помещают обрабатываемые детали 2. Запускают насосы 4 и 7. При этом насос 4 обеспечивает циркуляцию электролита 3 в системе «рабочая емкость - теплообменник», обеспечивая поддержание постоянной температуры электролита 3 за счет отвода части тепла через теплообменник 6, охлаждаемый охлаждающей водой 5. При этом насос 7 производит откачку паро-воздушной смеси из рабочей емкости 1, обеспечивая создание необходимого разряжения в рабочей емкости 1 (выбираемом из диапазона от 0,9 до 4 кПа) при герметизации рабочей емкости 1 при закрытии ее крышкой 9. В результате создания разряжения в рабочей емкости 1 температура кипения электролита снижается (в соответствии с представленным диапазоном давлений, приблизительно от 7 до 30°С). Если при традиционном ЭПП для образования ПГО необходимо обеспечивать подачу потенциала на деталь порядка 280-300 В, то при разряжении атмосферы внутри рабочей емкости 1 ПГО образуется уже при подаче напряжения порядка 10 В и менее, поскольку при нормальной температуре окружающей среды 20°С электролит будет находиться уже в состоянии кипения. В этой связи, для образования ПГО вокруг детали целесообразно использовать нагрев обрабатываемой детали 2 несколько выше температуры электролита 3.

Далее, после погружения детали 2 в электролит 3, к обрабатываемой детали 2, прикладывают положительное напряжение, а к электролиту 3 - отрицательное напряжение (анодная обработка), в результате чего при напряжении порядка от 10 до 80 В вокруг детали 2 образуется ПГО и возникает плазменный разряд между обрабатываемой поверхностью детали 2 и электролитом 3. Одновременно к детали 2 по всей обрабатываемой ее поверхности прикладывают магнитное поле при помощи магнитов 8. Благодаря наличию магнитного поля процесс полирования поверхности детали 2 происходит преимущественно в зоне действия магнитного поля. При полировании магнитное поле создают протяженными магнитами 8, охватывающими область полирования детали 2.

В качестве рабочей емкости 1 используют закрытую емкость с крышкой, обеспечивающей герметизацию рабочей емкости 1. Рабочую емкость 1 выполняют из материала, стойкого к воздействию электролита. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали ПГО до получения необходимой шероховатости поверхности.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали 2 и образование вокруг нее ПГО. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали 2 и электролита 3, отводится через систему охлаждения (теплообменник 6). При этом поддерживают заданную температуру электролита, выбирая ее из диапазона от 7 до 30°С. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью 2 и электролитом 3) в ПГО возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью 2 и средой ПГО.

При этом, толщина ПГО в результате действия архимедовой силы изменяется, сужаясь по мере опускания вниз, что при традиционных способах ЭПП приводит к неравномерности обработки поверхности детали 2, особенно при ее протяженных размерах. В этой связи, в предлагаемом изобретении магнитное поле используется как технологический параметр, доминирующий над толщиной ПГО, позволяя стабилизировать процессы обработки, а также интенсифицировать процесс ЭПП (по сравнению с аналогичными условиями проведения ЭПП в разряженной атмосфере) за счет повышения в области обработки детали концентрации ионов.

Пример. Были проведены следующие сравнительные испытания образцов из титанового, никелевого, хромоникелевого и медных сплавов. Для этого проводили ЭПП деталей из указанных сплавов при различных, характерных для предлагаемого изобретения и для способа-прототипа (RU 2725516 C1) режимах полирования.

Условия обработки по предлагаемому способу. Обрабатываемые детали размещали на держателе изделий, расположенном под крышкой емкости и снабженным устройством для подъема и опускания деталей в электролит. Затем крышку плотно закрывали, обеспечивая герметизацию рабочей емкости. Из герметичной емкости с крышкой вакуумным насосом откачивали паровоздушную среду, создавая следующие величины разряжения атмосферного давления: 0,7 кПа- (Н.Р.), 0,9 кПа - (У.Р.); 2,0 кПа - (У.Р.); 4,0 кПа- (У.Р.); 10,0 кПа - (Н.Р.) и обеспечивая подачу на деталь следующих величин положительного электрического потенциала: 6В- (Н.Р.), 10В - (У.Р.), 40В - (У.Р.), 80В - (У.Р.), 100В- (Н.Р.). На деталь, при ЭПП воздействовали постоянным магнитным полем, варьируя его напряженностью в диапазоне от 50-500 кА/м ( 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.) и проводили полирование до достижения требуемой величины шероховатости поверхности.

Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) испытаний вариантов ЭПП считался результат, при котором отсутствовал эффект полирования или уменьшения шероховатости поверхности детали не обеспечивалась равномерность обработки поверхности и не обеспечивалась обработка детали размерами 20 х 20 см, а если же эффект качественного полирования достигался, то результат считался удовлетворительным (УР).

Используемый электролит.

Для обработки детали из титанового сплава ВТ9.

Водный раствор с содержанием гидроксиламина (NH₂OH) 2 вес.% (НР), 3 вес.% - (У.Р.), 7 вес.% - (У.Р.), 10 вес.% (НР),, и содержанием NaF: 0,5 вес.% (НР), 0,7 вес.% - (У.Р.), 0,8 вес.% - (У.Р.), 1,1 вес.% (НР), или содержанием KF: 0,5 вес.% (НР), 0,7 вес.% - (У.Р.), 0,8 вес.% - (У.Р.), 1,1 вес.% (НР). Температура электролита поддерживалась от 14°С до 26°С (при выходе из указанного диапазона температур качество обработки снижалось).

Для обработки деталей из никелевого сплава (ЖС6У) и хромоникелевого (12Х18Н10Т).

Водный раствор сульфата аммония ( (NH₄)₂SO₄ ): 2% (НР), 4%- (У.Р.), 8% - (У.Р.), 11% (НР). Температура электролита поддерживалась от 12°С до 24°С (при выходе из указанного диапазона температур качество обработки снижалось).

Для обработки деталей из медного сплава (Бр.ОЦС 6-6-3): водный раствор аммонийных солей, содержащий фтористый аммоний (NH₄F) и аммоний лимоннокислый (Na₃C₆H₅O₇*2H₂O ) одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас. %: фтористый аммоний: 0,5% (НР), 1,0%- (У.Р.), 3,0%- (У.Р.), 5,0% (НР), аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь 1-5, 0,5% (НР), 1,0%- (У.Р.), 3,0%, 5,0% - (У.Р.), 7,0% (НР). Температура электролита поддерживалась от 12°С до 24°С (при выходе из указанного диапазона температур качество обработки снижалось).

В герметично закрытой рабочей емкости создавали исследуемую величину пониженного давления и подавали электрический потенциал на деталь при воздействии магнитного поля согласно приведенным выше исследуемым вариантам. Для этого после закрытия крышки и подачи на обрабатываемые детали исследуемой величины электрического потенциала, при помощи устройства на держателе изделий опускали детали в электролит и проводили обработку. Для каждого варианта обработки использовались по три образца в виде пластин размерами: 5 х 10 см, 10 х 10 см, 20 х 20 см.

Традиционный вариант ЭПП осуществляли согласно режимам, представленным в способе-прототипе (RU 2725516 C1), обработку проводили в условиях атмосферного давления (100 кПа), в электролитах того же состава, при воздействии тех же величин напряженности магнитного поля для того же перечня и размеров деталей.

Результаты сравнительных испытаний представлены в таблицах, в таблице 1 - результаты ЭПП деталей из титанового сплава ВТ9, в таблице 2 - результаты ЭПП деталей из хромоникелевого сплава12Х18Н10Т, в таблице 3 - результаты ЭПП деталей из медного сплава Бр.ОЦС 6-6-3.

Таблица 1

Вари
ант Размеры
Образца. См² Электролит вес.% Напря
жение,
В Время
ЭПП,
мин Ra,
мкм Примечание Прототип 1 100 NH₂OH -3
NaF - 0,7 290 5 0,09 - 2 200 NH₂OH -3
NaF - 0,7 290 7 0,10 Сильный нагрев электролита 3 400 NH₂OH -3
NaF - 0,7 290 - - Полирование
произвести не удалось Предла-
гаемый
Способ ЭПП 1 100 NH₂OH -3
NaF - 0,7 16 16 0,08 Стабильная температура
электролита в диапазоне от 14°С до 26°С 2 200 NH₂OH -3
NaF - 0,7 16 20 0,09 3 400 NH₂OH -3
NaF - 0,7 16 24 0,10

Таблица 2

Вари
ант Размеры
образца. См² Электролит вес.% Напря
жение,
В Время
ЭПП,
мин Ra,
мкм Примечание Прототип 1 100 (NH₄)₂SO₄ - 4% 290 6 0,09 - 2 200 (NH₄)₂SO₄ - 4% 290 8 0,10 Сильный нагрев электролита 3 400 (NH₄)₂SO₄ - 4% 290 - - Полирование
произвести не удалось Предла-
гаемый
Способ ЭПП 1 100 (NH₄)₂SO₄ - 4% 14 14 0,08 Стабильная температура
электролита в диапазоне от 12°С до 24°С 2 200 (NH₄)₂SO₄ - 4% 14 18 0,08 3 400 (NH₄)₂SO₄ - 4% 14 24 0,09

Таблица 3

Вари
ант Размеры
образца. см² Электролит вес.% Напря
жение,
В Время
ЭПП,
мин Ra,
мкм Примечание Прототип 1 100 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 290 5 0,09 - 2 200 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 290 5 0,10 Сильный нагрев электролита 3 400 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 290 - - Полирование
произвести не удалось Предла-
гаемый
Способ ЭПП 1 100 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 14 12 0,08 Стабильная температура
электролита в диапазоне от 12°С до 24°С 2 200 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 14 18 0,09 3 400 NH₄F - 1,0%
Na₃C₆H₅O₇-1,0% 14 22 0,10

Как следует из представленных результатов испытаний предлагаемое изобретение по сравнению с известным способом полирования (RU 2725516 C1) позволяет обрабатывать методом ЭПП детали большой площади, что подтверждает достижение поставленного в предлагаемом изобретении технического результата - обеспечение полирования поверхности детали большого размера при одновременной обработке всей или большей части его полируемой поверхности.

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке металлических деталей и может быть использовано, например, для полирования лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает погружение детали в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля с напряженностью в диапазоне от 50-500 кА/м, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала. Полирование ведут при пониженном давлении, выбираемом из диапазона от 0,9 до 4 кПа, при температуре электролита, выбираемой из диапазона от 7 до 30 °С, и при подаче на обрабатываемую деталь положительного потенциала, выбираемого из диапазона от 10 до 80 В. Обеспечивается равномерное полирование поверхности детали большого размера при одновременной обработке всей или большей части его полируемой поверхности. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ электролитно-плазменного полирования детали в магнитном поле, включающий погружение детали в электролит, создание вокруг обрабатываемой детали магнитного поля с напряженностью в диапазоне от 50-500 кА/м, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, отличающийся тем, что полирование ведут при пониженном давлении, выбираемом из диапазона от 0,9 до 4 кПа, при температуре электролита, выбираемой из диапазона от 7 до 30 °С, и при подаче на обрабатываемую деталь положительного потенциала, выбираемого из диапазона от 10 до 80 В.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют полирование детали из титанового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 3 до 7 мас.% гидроксиламина солянокислого с содержанием от 0,7 до 0,8 мас.% NaF или KF, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм при температуре электролита от 14 до 26 °С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют полирование детали из никелевого или хромоникелевого сплава, а в качестве электролита используют 4-8%-ный водный раствор сульфата аммония, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм при температуре электролита от 12 до 24 °С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют полирование детали из медных сплавов, а в качестве электролита используют водный раствор аммонийных солей, содержащий фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%: фтористый аммоний 1-3, аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь 1-5, а полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм при температуре электролита от 12 до 24 °С.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что магнитное поле создают электромагнитом, а в качестве обрабатываемой детали используют лопатку турбомашины.