Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЖЕЛЕЗОХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей из железохромоникелевых сплавов и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин.

Для изготовления лопаток турбомашин применяются железохромоникелевые сплавы, обладающие высокой прочностью, в том числе и при высоких температурах, обеспечивающие одновременно достаточно высокую пластичность. Лопатки турбомашин из железохромоникелевых сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения.

С повышением шероховатости пера лопатки ухудшается газодинамическая устойчивость двигателя, возрастают аэродинамические потери, приводящие к снижению КПД, к потере мощности, росту удельных расходов и к снижению экономичности двигателя или установки. Кроме того, 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).

В то же время производство и ремонт лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ), в связи с высокими требованиями к качеству поверхности (Ra<0,32...0,16 мкм), характеризуются 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 пера лопаток ГТД и ГТУ лепестковым кругом, при котором лопатке сообщают возвратно-поступательное перемещение относительно инструмента (А.С. СССР №1732604, МПК В24В 19/14. Способ полирования пера лопаток ГТД лепестковым кругом. Опубл. в Бюл. №1, 2014 г.), в котором полирование производят с деформацией лепесткового круга.

Известен также способ обработки, позволяющий полировать криволинейную кромку пера лопаток газовой турбины заправленным по радиусу полировальным кругом, движущимся вдоль пера лопатки (Патент РФ №2379170, МПК В24В 19/14. Способ обработки лопаток газотурбинных двигателей. Опубл. в 2010 г.).

Однако применение в известных способах полирования поверхности пера лопаток механического воздействия на обрабатываемую деталь вызывает ухудшение параметров качества поверхностного слоя материалов, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик лопаток, особенно имеющих небольшие толщины пера.

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 C25F 3/16, опубл. 06.08.1986].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, опубл. в БИ №3, 1996], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.1991].

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

Известен способ электролитно-плазменного полирования 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 известный способ предназначен для обработки деталей из титановых сплавов и не может быть применен для обработки лопаток из железохромоникелевых сплавов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение таких эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из железохромоникелевых сплавов, как усталостная и статическая прочность, сопровождающееся уменьшением шероховатости поверхности пера лопаток, а также повышение функциональных свойств лопаток, обеспечивающих более высокий КПД установки.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из железохромоникелевых сплавов и повышение их функциональных свойств за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.

Технический результат достигается способом обработки лопаток турбомашин из железохромоникелевых сплавов путем полирования поверхности пера лопатки, которое осуществляют электролитно-плазменным методом, включающим погружение лопатки в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности лопатки парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 270 до 290 В и проводят полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 250 до 265 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/л, а полирование ведут при температуре от 60 до 90°С. В качестве лопатки турбомашины используют либо лопатку компрессора газотурбинного двигателя, либо лопатку компрессора газотурбинной установки.

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования поверхности пера лопатки в процессе его изготовления или восстановительного ремонта осуществляется следующим образом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 270 до 290 В и проводят полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшают напряжение от 250 до 265 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. В качестве электролита используют водный раствор соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/л, а полирование ведут при температуре от 60 до 90°С до получения заданной шероховатости поверхности. Полирование пера, в зависимости от параметров детали (при площади обработки от 1 до 4000 см²) и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 до 0,8 А/дм². Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации, вес.%: от 0,6 до 1,2. Полирование поверхности пера лопатки 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 возникают 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 удаление покрытия с обрабатываемой поверхности деталей. Введение ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора, что улучшает состояние парогазового слоя на границе «газ - жидкость». Однако не следует создавать значительных концентраций ПАВ, поскольку это может привести к образованию нежелательных несмываемых пленок на поверхности изделия. Кроме того, увеличение концентрации ПАВ может привести к обратному эффекту, т.е. увеличению величины коэффициента поверхностного натяжения раствора. Для минимизации джоуль-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью.

Пример. Обрабатываемые образцы лопаток из железохромоникелевых сплавов (ХН45МВТЮБР-ИД, ХН45МВТЮБР-ПД) погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Полирование поверхности пера лопатки производили в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывали электрический потенциал величиной от 270 до 290 В и проводили полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшали напряжение до величин от 250 до 265 В и проводили окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. Полирование проводили в среде электролита: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/л. 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 60…90°С).

Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат, при котором отсутствовал эффект полирования или уменьшения шероховатости поверхности детали.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Электрический потенциал (напряжение), первый этап: 260 В - Н.Р.; 270 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 280 В - У.Р.; 290 В - У.Р.; 300 В - Н.Р.; второй этап: 240 В - Н.Р.; 250 В - У.Р.; 260 В - У.Р.; 265 В - У.Р.; 275 В - Н.Р.

Электролит - водный раствор соли фторида аммония концентрацией: 3,0 г/л - Н.Р.; 3,5 г/л - У.Р.; 5,0 г/литр- У.Р.; 11,0 г/л - У.Р.; 12 г/л - Н.Р.

Температура процесса обработки: от 50°С - Н.Р.; 60°С - У.Р.; 80°С - У.Р.; 90°С - У.Р.; 97°С - Н.Р.

По сравнению с используемым механическим способом полирования (Патент РФ №2379170, МПК В24В 19/14. Способ обработки лопаток газотурбинных двигателей. Бюл. №2. 2010 г.) производительность процесса по предлагаемому способу в среднем в 3-4 раза выше, а средние значения шероховатости поверхности по предлагаемому способу улучшаются от Ra 0,65…0,45 мкм до Ra 0,03…0,02 мкм.

Таким образом, предложенный способ обработки лопаток турбомашин из железохромоникелевых сплавов позволяет повысить их эксплуатационные характеристики и функциональные свойства за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.