Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА ТУРБОМАШИН И РАБОЧАЯ ЕМКОСТЬ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию изделий из легированных сталей, тугоплавких и титановых сплавов, и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток блиска компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств деталей турбомашин.

Рабочие лопатки газотурбинных двигателей и установок в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток газовых турбин применяются легированные стали и титановые сплавы, имеющие достаточно высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом пластичность.

Однако 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 [например, Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также Патент РБ №1132, МПК 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, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91.]

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности лопаток блисков турбомашин.

Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009], включающий погружение детали в электролит, содержащий окислитель, фторсодержащее соединение и воду, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала.

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16] 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, к повышению его трудоемкости.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования лопаток турбомашин [Патент РФ №2552203, МПК C25F 3/16. Способ полирования деталей из титановых сплавов. Бюл. №16, 2015], 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.

Однако способ-прототип, не может быть использован для полирования блисков компрессоров ГТД, поскольку при электролитно-плазменной обработке изделий, имеющих значительную площадь поверхности выделяется чрезмерное количество тепла, что делает процесс нестабильным и приводит к возникновению дефектов на поверхности лопаток. Кроме того, обработка крупных изделий, к которым относятся блиски компрессора ГТД, требуется значительное количество электроэнергии и при реализации процесса полирования в этих условиях резко снижается к.п.д. обработки. Известны устройства (а.с. СССР №1039251, МПК C25F 7/00, 04.01.81, патент РФ №2009212, МПК C21D 1/44, 03.15.94), содержащие ванну для электролита, рабочий электрод и систему циркуляции электролита, включающую насос с патрубком для подачи электролита, окно с патрубком для возврата электролита.

Наиболее близким по технической сущности является выбранное в качестве прототипа емкость для электролитно-плазменного полирования (патент РФ №2268326, МПК C21D 1/44, 03.15.94), выполненная из неэлектропроводного материала и содержащий во внутреннем рабочем объеме по крайней мере один электрод, подключенный к катоду.

Однако это устройство [патент РФ №2268326, МПК C21D 1/44, 03.15.94] не может быть применено к обработке лопаток блисков, имеющих большие размеры, поскольку при обработке изделий, имеющих значительную площадь поверхности выделяется чрезмерное количество тепла, что делает процесс нестабильным и приводит к возникновению дефектов на поверхности лопаток. Кроме того, обработка крупных изделий, к которым относятся блиски компрессора ГТД, требуется значительное количество электроэнергии и при реализации процесса полирования в этих условиях резко снижается к.п.д. обработки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и надежности процесса полирования блисков компрессора ГТД из титановых сплавов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе последовательного электролитно-плазменного полирования лопаток блиска турбомашин, включающем погружение обрабатываемых лопаток блиска в электролит, находящийся в рабочей емкости, формирование вокруг обрабатываемой поверхности лопаток блиска парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой поверхностью лопаток блиска и электролитом путем подачи на обрабатываемый блиск электрического потенциала и полирование лопаток блиска до получения заданной шероховатости их поверхности отличающийся тем, что в качестве рабочей емкости для электролита используют рабочую емкость, со стенками из диэлектрического материала с расположенными внутри этих стенок электродов, открытых с внутренней стороны стенок рабочей емкости, размерами и формой рабочей емкости, обеспечивающими охват с рабочим зазором всей обрабатываемой поверхности лопатки блиска и возможностью размещения рабочей емкости в межлопаточном пространстве около, по крайней мере одной, обрабатываемой лопатки, опускают в упомянутую рабочую емкость, по крайней мере, одну обрабатываемую лопатку блиска, обеспечивают контакт всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки блиска с электролитом, подают на блиск положительный, а на электролит через электрод в стенках рабочей емкости отрицательный электрический потенциал и ведут обработку до получения заданной шероховатости поверхности лопатки блиска, затем удаляют обработанную лопатку из упомянутой рабочей емкости, опускают в рабочую емкость следующую лопатку блиска и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток блиска.

При этом возможно использование следующих дополнительных приемов способа: используют дополнительную емкость с электролитом, соединенную с рабочей емкостью и образующую единую систему сообщающихся сосудов, обеспечивающую налив и слив электролита из рабочей емкости, а в процесс полирования лопаток блиска проводят циркуляцию электролита между рабочей емкостью и дополнительной емкостью обеспечивая заданные температуру и состав электролита; в качестве блиска используют блиск турбины из титанового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л; в качестве блиска используют блиск турбины из легированной стали, а в качестве электролита используют водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15; в качестве блиска используют блиск турбины из тугоплавких сплавов, а в качестве электролита используют водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF - от 12 до 18.

Технический результат достигается также за счет того, что рабочая емкость для последовательного электролитно-плазменного полирования лопаток блиска выполненная из диэлектрического материала и содержащая во внутреннем рабочем объеме по крайней мере один электрод, подключенный к катоду, в отличие от прототипа, рабочая емкость выполнена размерами и формой, обеспечивающими охват с рабочим зазором всей обрабатываемой поверхности лопатки блиска и возможности размещения рабочей емкости в межлопаточном пространстве обрабатываемой лопатки, а также снабженная, соединенной с ней в единую систему сообщающихся сосудов через трубопроводы с насосом дополнительной емкостью, обеспечивающую слив из рабочей емкости, налив в рабочую емкость и циркуляцию электролита в процессе полирования, а также снабженную уплотнением во входной горловине, обеспечивающим герметизацию рабочей емкости при прижатии ее к блиску при помещении в рабочую емкость обрабатываемой лопатки блиска. Стенки рабочей емкости имеют открытые во внутреннюю полость рабочей емкости карманы, внутри которых размещены электроды, не выступающие за габариты стенки рабочей емкости.

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

Изобретение поясняется следующей схемой. На фиг. 1-5 показан процесс электролитно-плазменного полирования лопатки блиска и устройство рабочей емкости. На фиг. 1 представлен фрагмент блиска с одной обрабатываемой лопаткой блиска, на фиг. 2 - с двумя обрабатываемыми лопатками блиска. На фиг. 3 поперечный разрез обрабатываемых лопаток блиска, на фиг. 4 - поперечный разрез обрабатываемой лопатки и рабочей емкости с электродами, расположенными внутри стенки рабочей емкости, на фиг. 5 - продольный разрез лопатки с рабочей емкостью. Фигуры 1-5 содержат: 1 - блиск; 2 - лопатка блиска; 3 - обрабатываемая (текущая) лопатка блиска; 4 - рабочая емкость; 5 - уплотнение на горловине рабочей емкости: 6 - электролит; 7 - карманы; 8 - электрод; 9 - впускные и выпускные патрубки рабочей емкости; 10 - паро-газовая оболочка. (Стрелками показано направление движения электролита).

Процесс последовательного полирования происходит следующим образом (фиг. 1-5). Блиск 1 закрепляют на держателе при горизонтальном положении его продольной оси (не показано), одну или несколько нижних обрабатываемых лопаток 3 блиска один опускают в рабочую емкость 4 (фиг. 1 и фиг. 2). При этом рабочую емкость 4 прижимают через уплотнения 5 на ее горловине и герметизируют ее объем. В рабочую емкость 4 с обрабатываемой лопаткой 3 через трубопроводы при помощи насоса из дополнительной емкости закачивают электролит 6 и обеспечивают его циркуляцию (не показано). Циркуляция электролита 6 из дополнительной емкости в рабочую емкость 4 и обратно, обеспечивает поддержание заданной температуры процесса и стабильность состава электролита (фиг. 4).

Подают на блиск 1 от анода и на электроды 8 от катода электрический потенциал, в результате подачи электрического потенциала вокруг обрабатываемой поверхности лопаток блиска формируется парогазовая оболочка 10, зажигается разряд между обрабатываемой поверхностью лопатки 3 блиска 1 и электролитом 6 и происходит обработка поверхности лопатки 3 в режиме электролитно-плазменного полирования (фиг. 4 и фиг. 5). В качестве емкости для электролита используют рабочую емкость 4, изготовленную из электроизоляционного материала с расположенными в карманах 7, в стенках рабочей камеры 4 электродов 8 (фиг. 4). Рабочая емкость 4 располагается в межлопаточном пространстве около обрабатываемой лопатки 3 блиска 1. (При необходимости можно аналогично обрабатывать одновременно большее количество лопаток (фиг. 2)). Обработку лопатки 3 проводят до получения заданной шероховатости ее поверхности.

При подаче достаточной величины потенциала на блиск 1 и электрод 8 вокруг обрабатываемой лопатки 3 образуется паро-газовая оболочка 10, возникает разряд между обрабатываемым изделием и электролитом и происходит полирование поверхности лопатки электролитно-плазменным методом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 250 В до 320 В, а в качестве электролита используют: водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, при обработке блиска из титана и титановых сплавов; водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15, при обработке блиска из легированной стали; водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF - от 12 до 18, при обработке блиска из тугоплавких сплавов.

После окончания обработки лопатки 3 из рабочей емкости 4 удаляют электролит 6, вынимают обработанную лопатку 3 из рабочей емкости 4 и опускают в рабочую емкость следующую лопатку блиска 1 и повторяют указанный цикл обработки до полной обработки всех лопаток блиска.

Полирование ведут при температуре от 70°С до 96°С. Полирование в зависимости от параметров детали можно вести при величине тока от 0,2 А/см² до 0,7 А/см² в течение не менее 1,5 минут. Полируемая лопатка турбомашины, должна иметь шероховатость исходной поверхностью не более Ra 0,80 мкм. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки.

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 циркуляции электролита из дополнительной емкости в чехол. Объем дополнительной емкости должен значительно превосходить объем эластичного чехла и обеспечивать стабильность температурного режима и состава электролита. 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 лопатку, 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. После окончания полирования лопатки блиска, ее промывают, закачивая в чехол, вместо удаленного электролита воду. Затем снимают эластичный чехол и одевают ее на следующую обрабатываемую лопатку и повторяют указанный цикл до окончания полирования всех лопаток блиска

Пример 1. Обработке подвергали лопатки блиска компрессора ГТД из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8М. Обрабатываемые лопатки блиска последовательно полировали с использованием электроизоляционного чехла, выполненного из полимера. Обрабатываемую лопатку блиска погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к блиску положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. К обрабатываемой детали прикладывали электрический потенциал 250 В, 300 В, 320 В. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - 11 г/л и KF - 36 г/л.

Пример 2. Обработке подвергали лопатки блиска компрессора ГТД из блиска из легированных сталей марок 20X13 и 15X11МФ, 20X13, ЭЙ 961;. Обрабатываемые лопатки блиска последовательно полировали с использованием электроизоляционного чехла, выполненного из полимера. Обрабатываемую лопатку блиска погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к блиску положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. К обрабатываемой детали прикладывали электрический потенциал, 300 В, 320 В. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - 28 г/л., фторид натрия NaF - 9 г/л..

Пример 3. Обработке подвергали лопатки блиска компрессора ГТД из блиска из легированных сталей марок 20X13 и 15X11МФ, 20X13, ЭЙ 961;. Обрабатываемые лопатки блиска последовательно полировали с использованием электроизоляционного чехла, выполненного из полимера. Обрабатываемую лопатку блиска погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к блиску положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. К обрабатываемой детали прикладывали электрический потенциал, 300 В, 320 В. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 32, фторид натрия NaF - 14 г/л.

При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 70°…96°С). Время обработки каждой лопатки составляло 2 минуты. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности составляла Ra 0,18 мкм, после полирования Ra 0,03-0,02 мкм.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8М, ВТ1-0, из легированных сталей марок 20X13 и 15X11МФ, 20X13, ЭЙ 961, из сплавов на основе никеля ЭП741НП, ЖС6У, ЖС32 были подвергнуты обработке как по способам-прототипам (Патент РФ №2552203), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа. (За неудовлетворительный результат (Н.Р.) брался результат, при котором не происходило полирование титановой детали, за удовлетворительный результат (У.Р.), когда наблюдался эффект полирования)

Способ-прототип показал неудовлетворительные результаты.

Схема обработки лопаток блиска по способу-прототипу: погружение блиска в элетролит - (Н.Р.).

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Схема обработки лопаток блиска: полирование лопаток блиска, путем размещения обрабатываемой лопатки блиска в рабочей емкости с электродами - (У.Р.); погружение блиска целиком в емкость с электролитом - Н.Р.

Электрический потенциал: 240 В - Н.Р., 250 В - У.Р., 270 В - У.Р., 290 В -У.Р., 300 В - У.Р., 320 В - У.Р., 340 В - Н.Р.

Электролит:

в качестве электролита используют: водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, при обработке блиска из титана и титановых сплавов; водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15, при обработке блиска из легированных сталей (стали марок 20X13 и 15X11МФ, 20X13, ЭЙ 961)); водный раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NH₂OH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF - от 12 до 18, при обработке блиска из тугоплавких сплавов (сплава на основе никеля ЭП741НП).

Температура электролита: от 70°С до 96°С.

Величина электрического тока: от 0,2 А/см² до 0,7 А/см².

Время: 1,5-10 минут.

Шероховатость исходной полируемой поверхности не более Ra 0,80 мкм.

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа полирования лопаток блиска из титана и титановых сплавов, из легированных сталей и из тугоплавких сплавов позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество их обработки. Средние значения шероховатости полированной поверхности при обработке по предлагаемому способу составили Ra 0,04…0,02 мкм.