СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА ТУРБОМАШИН И ЭЛАСТИЧНЫЙ ЧЕХОЛ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR ELECTROLYTIC-PLASMA POLISHING OF BLISK BLADES OF TURBOMACHINES AND AN ELASTIC COVER FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе электролитно-плазменного полирования лопаток блиска турбомашин, включающем погружение обрабатываемых лопаток блиска в электролит, находящийся в 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, в отличие от прототипа в качестве емкости для электролита используют эластичный чехол из электроизоляционного материала с расположенными внутри него, по крайней мере одним электродом, одевают упомянутый эластичный чехол, по крайней мере на одну обрабатываемую лопатку блиска, заполняют эластичный чехол электролитом, расширяя его в пределах межлопаточного пространства между обрабатываемой лопаткой блиска и двумя соседними, с обеих ее сторон, лопатками блиска, обеспечивают контакт всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки блиска с электролитом, подают на блиск положительный, а на электролит через электрод эластичного чехла отрицательный электрический потенциал и ведут обработку до получения заданной шероховатости поверхности лопатки блиска, затем удаляют электролит из упомянутого эластичного чехла, снимают эластичный чехол с обработанной лопатки, одевают его на следующую лопатку блиска и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток блиска.
4
4
При этом возможно использование следующих вариантов: используют дополнительную емкость с электролитом, соединенную с эластичным чехлом и образующую единую систему сообщающихся сосудов, обеспечивающую налив и слив электролита из эластичного чехла, а в процесс полирования лопаток блиска производят циркуляцию электролита между эластичным чехлом 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 NHF и KF при содержании NHF - 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
2
2
используют водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15, этиловый спирт - от 60 до 100; в качестве блиска используют блиск турбины из тугоплавких сплавов, а в качестве электролита используют водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF -от 12 до 18, этиловый спирт - от 80 до 120.
Технический результат достигается за счет того, что эластичный чехол для электролитно-плазменного полирования лопаток блиска выполненный из неэлектропроводного материала и содержащий во внутреннем рабочем объеме по крайней мере один электрод, подключенный к катоду в отличие от прототипа чехол выполнен из эластичного материала в виде пакета, размерами и формой, обеспечивающего охват с рабочим зазором всей обрабатываемой поверхности лопатки блиска и его размещения в межлопаточном пространстве между двумя соседними от обрабатываемой лопатки лопатками, а также снабженный, соединенным с ним в единую систему сообщающихся сосудов через трубопроводы с насосом дополнительную емкость, обеспечивающую слив из чехла и налив в чехол электролита, а также циркуляцию электролита в процессе полирования.
Кроме того возможны следующие дополнительные элементы рабочего контейнера: эластичные стенки чехла выполнены с зигзагообразными изгибами, образующими карманы, внутри которых размещены электроды, причем карманы обеспечивают закрытие электродов при свободном положении стенок чехла и их раскрытие при растяжении стенок чехла за счет распрямления гофров; эластичный чехол снабжен эластичным уплотнительным элементом, обеспечивающим герметизацию его полости на границе его контакта с поверхностью обрабатываемого блиска.
Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными ниже примерами.
Изобретение поясняется следующей схемой. На фиг. 1-3 показан процесс электролитно-плазменного полирования лопатки блиска и устройство эластичного чехла. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг.3 представлен фрагмент блиска с эластичным чехлом при его одевании на обрабатываемую лопатку блиска (фиг. 1 а, фиг. 2а и фиг. 3а) и при расширении эластичного чехла при заполнении его электролитом (фиг. lb, фиг. 2b и фиг. 3b). Фигуры 1-3 содержат: 1 - блиск; 2 - лопатка блиска; 3 - обрабатываемая (текущая) лопатка блиска; 4 - эластичный чехол; 5 - электролит; 6 - электрод; 7 - карманы; 8 - паро-газовая оболочка; 9 - система трубопроводов. (Стрелками показано направление движения электролита.
4
4
2
2
В качестве емкости для электролита используют эластичный чехол 4 изготовленный из электроизоляционного материала с расположенными внутри, по крайней мере одним электродом 6. Эластичный чехол 4 одевают на обрабатываемую лопатку 3 блиска 1 (фиг. 1а, фиг. 2а и фиг. 3а), из дополнительной емкости (не показано) при помощи насоса заполняют эластичный чехол 4 электролитом 5, расширяя эластичный чехол 4 в пределах межлопаточного пространства между обрабатываемой лопаткой 3 блиска 1 и двумя соседними с обеих ее сторон лопатками 2 блиска 1 (фиг. lb, фиг. 2b и фиг. 3b). (При необходимости можно аналогично одевать эластичный чехол 4 на большее количество лопаток). При заполнении эластичного чехла 4 электролитом 5 (фиг. 3) необходимо обеспечивать полный охват ими полируемой поверхности обрабатываемой лопатки 3 блиска 1. Заполнение эластичного чехла 4 электролитом 5 можно производить, например, при помощи насоса, позволяющего также обеспечивать циркуляцию электролита из дополнительной емкости в чехол и обратно, обеспечивая поддержание заданной температуры процесса и стабильность состава электролита. После заполнения эластичного чехла 4 электролитом 5 подают на блиск от анода и на электрод 6 эластичного чехла 4 от катода электрический ток и начинают обработку поверхности лопатки 3 до получения заданной шероховатости. При подаче достаточной величины потенциала на блиск 1 и электрод 6 вокруг обрабатываемой лопатки 3 образуется паро-газовая оболочка 8, 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 NHF и KF при содержании NHF - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, при обработке блиска из титана и титановых сплавов; водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15, этиловый спирт - от 60 до 100, при обработке блиска из легированной стали; водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NFOH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF - от 12 до 18, этиловый спирт - от 80 до 120, при обработке блиска из тугоплавких сплавов.
После окончания обработки лопатки 3 из эластичного чехла 4 удаляют электролит 5, снимают чехол 4 с обработанной лопатки 3 и одевают на следующую лопатку блиска 1 и повторяют указанный цикл обработки до полной обработки всех лопаток блиска.
2
2
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/см до 0,7 А/см 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.
4
4
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 NHF и KF при содержании NHF - 11 г/л и KF - от 36 г/л.
2
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 водно-спиртового раствора гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 28, фторид натрия NaF - от 9, этиловый спирт - от 70.
2
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 водно-спиртового раствора гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 32, фторид натрия NaF - от 14, этиловый спирт - от 90.
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 0,15 мкм, после полирования Ra 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: последовательное полирование лопаток, путем размещения обрабатываемой лопатки блиска в эластичном чехле с электродами - (У.Р.); погружение блиска в емкость с электролитом целиком -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:
4
4
2
2
а в качестве электролита используют: водный раствор смеси NHF и KF при содержании NHF - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, при обработке блиска из титана и титановых сплавов; водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 22 до 30, фторид натрия NaF - от 7 до 15, этиловый спирт - от 60 до 100, при обработке блиска из легированных сталей (стали марок 20X13 и 15X11МФ, 20X13, ЭЙ 961)); водно-спиртовый раствор гидроксиламина солянокислого и фторида натрия при следующем содержании компонентов, г/л: гидроксиламин солянокислый NHOH×HCl - от 30 до 38, фторид натрия NaF - от 12 до 18, этиловый спирт - от 80 до 120, при обработке блиска из тугоплавких сплавов (сплава на основе никеля ЭП741НП).
Температура электролита: от 70°С до 96°С.
2
2
Величина электрического тока: от 0,2 А/см до 0,7 А/см.
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 0,05...0,02 мкм.