Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий преимущественно из титановых сплавов и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин, а также в качестве подготовительной операции перед ионно-имплантационным модифицированием поверхности детали и нанесением защитных ионно-плазменных покрытий.

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Однако лопатки турбин из титановых сплавов 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 [например, Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК С25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также Патент РБ №1132, МПК С25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК С25F 3/16, 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, С25F 3/16, С25F 5/00, опубл. 02.07.91]

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности деталей из титановых сплавов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования детали из титановых 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. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009].

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F3/16], 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.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества обработки и надежность процесса полирования деталей из титановых сплавов, а также снижения его трудоемкости за счет использования одноэтапной этапной обработки деталей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов, включающем 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, в отличие от прототипа используют деталь из титанового сплава с содержанием ванадия, вес. %: V - от 3,5% до 6,0%, к обрабатываемой детали прикладывают электрический потенциал от 340 В до 360 В, используют электролит состава: водный раствор с содержанием 30-50 г/л KF·2H₂О и 2-5 г/л СrO₃, а полирование ведут при температуре от 75°С до 85°С в течение не менее 1,5 мин, при этом возможно использование следующих вариантов: полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм²; в качестве детали используют лопатку турбомашины; детали, в частности лопатки, используют из титанового сплава состава, вес.%: V - от 3,5% до 5,3%; Аl - от 5,3% до 6,8%; Fe - до 0,3%; С - до 0,1%; N - до 0,05%; Zr - до 0,3%; О - до 0,2%; Н - до 0,015%; Ti - остальное; используют детали, в частности лопатки, с шероховатостью исходной полируемой поверхности не более Ra 0,50 мкм; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8% TiF₄.

Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными ниже примерами.

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего - достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют электрическом потенциале от 340 В до 360 В, а в качестве электролита используют водный раствор с содержанием 30-50 г/л KF·2H₂O и 2-5 г/л СrO₃, а полирование ведут при температуре от 75°С до 85°С в течение не менее 1,5 мин. Полирование, в зависимости от параметров детали можно вести при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм² Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины, при этом используются детали с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra 0,50 мкм. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введен TiF₄. в концентрации 0,3-0,8%..

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

При осуществлении способа происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали и электролита, отводится через систему охлаждения. При этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.

При подаче положительного потенциала на деталь, в процессе протекания указанных реакций, происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем при анодной поляризации парогазовый слой 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 1. Обработке подвергали лопатки компрессора ГТД из титанового сплава марки ВТ6 (титановый сплав состава, вес.%: V - от 3,5% до 5,3%; Аl - от 5,3% до 6,8%; Fe - до 0,3%; С - до 0,1%; N - до 0,05%; Zr - до 0,3%; О - до 0,2%; Н - до 0,015%; Ti - остальное). Обрабатываемые лопатки погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. К обрабатываемой детали прикладывали электрический потенциал 350 В. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора состава: водный раствор с содержанием 40 г/л KF·2H₂O и 2 г/л СrO₃. При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 75…85°С). Время обработки составляло 2 минуты. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности составляла Ra 0,15 мкм, после полирования Ra 0,02 мкм.

Пример 2. Для сравнения возможностей предлагаемого способа полирования со способом-прототипом были проведены следующие исследования. Обрабатывались две партии образцов из титанового сплава ВТ6. Первая партия была обработана по способу-прототипу. Условия обработки по способу-прототипу при многоэтапной обработке: первый этап: электрическое напряжение 120…170 В, время - 18…50 сек (0,3…0,8 мин); второй этап: напряжение - 210…350 В, время - 1,5…5 мин (90…300 сек); третий этап: напряжение - 210…350 В, время - 0,8…2,5 мин (90…300 сек), (дополнительное условие обработки на третьем этапе: не вынимая изделие из электролита, отключали электрическое напряжение, затем удаляли изделие из электролита, охлаждали его до температуры окружающей среды (20°С), вновь прикладывали к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение порядка 210-350 В, затем снова погружали изделие в электролит и вели полирование в течение от 0,8 до 2,5 мин); четвертый этап: напряжение - 210…350 В, время - 0,8…2,5 мин (90…300 сек), (дополнительное условие обработки на четвертом этапе: не вынимая изделие из электролита, отключали электрическое напряжение, затем удаляли изделие из электролита, охлаждали его до температуры окружающей среды (20°С), вновь прикладывали к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение порядка 210-350 В, затем снова погружали изделие в электролит и вели полирование в течение от 0,8 до 2,5 мин). Обработку изделия проводили при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², при температуре от 70°С до 90°С.

Условия обработки по предлагаемому способу: электрический потенциал (напряжение) от 340 В до 360 В; электролит - водный раствор с содержанием 30-50 г/л KF·₂H₂O и 2-5 г/л СrO₃. Температура процесса от 75°С до 85°С. Время полирования от 1,5 до 2 мин. Значения исходной шероховатости поверхности составляло Ra 0,20, шероховатость после обработки по способу-прототипу Ra 0,08, шероховатость после обработки полученные по предлагаемому способу Ra 0,03.

Кроме того, были проведены исследования следующих режимов обработки деталей из титанового сплава с содержанием ванадия, вес. %: V - от 3,5% до 6,0%, (ВТ6, ВТ6с, ВТ6ч, ВТ16, ВТ22, ВТ23). Электрический потенциал: 335 В неудовлетворительный результат (Н.Р.); 340 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 345 В - (У.Р.); 350 В - (У.Р.); 355 В - (У.Р.); 360 В - (У.Р.); 365 В - (Н.Р.). Электролит-водный раствор с содержанием: 25 г/л KF·2H₂O и 1,5 г/л СrO₃ - (Н.Р.); 30 г/л KF·2H₂O и 1,5 г/л СrO₃ - (Н.Р.); 25 г/л KF·2H₂O и 2 г/л СrO₃ - (Н.Р.); 30 г/л KF·2H₂O и 2 г/л CrO₃ - (У.Р.); 35 г/л KF·2H₂O и 3 г/л СrO₃ - (У.Р.); 35 г/л KF·2H₂O и 4 г/л СrO₃ - (У.Р.); 35 г/л KF·2H₂O и 5 г/л СrO₃ - (У.Р.); 35 г/л KF·2H₂O и 6 г/л СrO₃ - (Н.Р.); 40 г/л KF·2H₂O и 4 г/л СrO₃ - (У.Р.); 40 г/л KF·2H₂O и 5 г/л СrO₃ - (У.Р.); 45 г/л KF·2H2O и 4 г/л СrO₃ - (У.Р.); 45 г/л KF·2H₂O и 5 г/л СrO₃ - (У-Р.); 50 г/л KF·2H₂O и 5 г/л СrO₃ - (У.Р.); 55 г/л KF·2H₂O и 5 г/л СrO₃ - (Н.Р.); 55 г/л KF·2H₂O и 6 г/л CrO₃ - (Н.Р.). Температура процесса: 70°С - (Н.Р.); 75°С - (У.Р.); 80°С - (У.Р.); 85°С - (У.P.); 90°С - (Н.Р.) - Время обработки: 1,0 мин - (ДР.); 1,2 мин - (Н.Р.); 1,5 мин - (У.Р.); 2,0 мин - (У.Р.); 6,0 мин - (У.Р.); 10 мин - (У.Р.); 20 мин - (У.Р.).

При обработке деталей из титановых сплавов с содержанием ванадия менее 3,5% весовых (ВТ14, ВТ20) были получены неудовлетворительные результаты.

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов с содержанием ванадия, вес.%: V - от 3,5% до 6,0%, позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество их обработки. Средние значения шероховатости полированной поверхности для прототипа составили от Ra 0,12..0,05 мкм, для предлагаемого способа - Ra 0,04..0,02 мкм. Меньший разброс значений шероховатости полированной поверхности, обработанной по предлагаемому способу, указывает на повышение надежности процесса обработки.

Улучшение качества полирования деталей из титановых сплавов по предлагаемому способу указывает на то, что использование электролитно-плазменного полирования детали из титановых сплавов, включающего 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, использование детали из титанового сплава с содержанием ванадия, вес.%: V - от 3,5% до 6,0%, приложение к обрабатываемой детали электрического потенциала от 340 В до 360 В, использование электролита состава: водный раствор с содержанием 30-50 г/л KF·2H₂O и 2-5 г/л СrО₃, проведение полирование при температуре от 75°С до 85°С в течение не менее 1,5 минут, а также использование следующих вариантов: ведение полирования при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм²; использование в качестве детали лопатки турбомашины; использование деталей, в частности лопаток из титанового сплава состава, вес.%: V - от 3,5% до 5,3%; Аl - от 5,3% до 6,8%; Fe - до 0,3%; С - до 0,1%; N - до 0,05%; Zr - до 0,3%; О - до 0,2%; Н - до 0,015%; Ti - остальное; использование детали, в частности лопатки с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra 0,50 мкм; дополнительное введение в состав электролита 0,3-0,8% TiF₄ позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повысить качество обработки и надежность процесса полирования деталей из титановых сплавов, а также снизить его трудоемкость.