СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРФОРАЦИОННЫХ ОТВЕРСТИЙ В ПОЛОЙ ЛОПАТКЕ ТУРБИНЫ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА
METHOD OF MAKING PERFORATED HOLES IN A HOLLOW BLADE OF A TURBINE FROM HEAT-RESISTANT ALLOY

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки отверстий малого диаметра, например, перфорационных отверстий в лопатках из жаропрочных сплавов путем удаления дефектного слоя электрохимической обработкой.
Прошивка перфорационных отверстий в деталях из труднообрабатываемых материалов производится электрохимической струйной обработкой (Патент США №4,578,164. МПК C25F 3/16; C25F 3/00; В23Н 09/02. Method of electrolytically finishing spray-hole of fuel injection nozzle./ Опубл. 1986 г), электроэрозионной обработкой (Патент РФ №2625378. МПК В23Н 9/14, В23Н 7/00 / Способ групповой прошивки отверстий и устройство для его реализации. / Опубл. Бюл. №20, 2017 г.) или лазерной прошивкой (патент РФ №2192341, МПК B23K 26/38, Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением, опубл. Бюл. №31, 2002 г.). Наиболее широкое распростроение в данной области получили способы прошивки перфорационных отверстий, основанные на электроэрозионном и лазерном методах обработки. Однако, обработка этими методами приводит к образованию в зоне прошивки отверстий, в том числе и на их внутренних поверхностях, дефектного слоя, снижающего эксплуатационные характеристики обработанных деталей, и требующих в этой связи удаления этого слоя.
Известен способ электрохимико-механической обработки (А.С. СССР №1085734. МПК В23Р 1/04, Способ электрохимико-механической обработки. Опубл.: 15.04.1984.), где съем припуска по длине отверстия осуществляется за счет ударного возвратно-поступательного действия инструмента.
Недостатком данного способа является низкое качествообработки поверхности детали, поскольку используются силовые механические воздействия на поверхностный слой материала детали.
Известен способ электрохимической обработки отверстий и электрод-инструмент (патент RU №2166416, МПК В23Н 5/06, опубл.: Бюл. №13, 2001 г), в котором используют биполярный катод-инструмент, выполненный из чередующихся абразивных и токопроводящих брусков на его формообразующей части, при этом катоду-инструменту одновременно сообщают вращение и вибрацию с обеспечением контакта анода-детали и катода-инструмента.
Известен также способ анодно-абразивного полирования отверстий (патент РФ №2588953, МПК В23Н 5/06, опубл. Бюл. №19, 2016 г), который включает перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала вдоль его оси при подключении детали к аноду, а электрода-инструмента к катоду.
При электроэрозионном или лазерном прожиге перфорационных отверстий на лопатках из жаропрочных сплавов в зонах прожига отверстий образуется дефектный слой, который необходимо удалять.
Известен также способ [Н.К. Фотеев, Качество поверхности после электроэрозионной обработки / СТИН, N 8, 1997, с. 43-48], в котором поверхность детали подготавливают путем электроэрозионной обработки и последующих температурных выдержек, направленных на повышение качества поверхности после электроэрозионной обработки. Известен способ удаления дефектного слоя материала в зоне прошивки отверстий на пере лопатки гидроабразивной обработкой (А.С. СССР №№1315258 МПК В24В 31/116, опубл. 1987 г.), включающий снятие дефектного слоя в перфорационных отверстиях в лопатке за счет движения через них абразивной массы.
Рассмотренные выше способы либо непригодны (А.С. СССР №1085734, патент RU №2166416, патент РФ №2588953,) для снятия дефектного слоя в перфорационных отверстиях на пере лопатки, либо не обеспечиваютвысокогокачества и однородности их обработки (А.С. СССР №№1315258).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления перфорационных отверстий в полой лопатке турбины из жаропрочного сплава, включающий прожиг отверстий на пере лопатки электроэрозионным или лазерным методом с последующим электрохимическим удалением в образованных перфорационных отверстиях дефектного поверхностного слоя, перемещением электрода-инструмента по внутренней поверхности перфорационных отверстий, при подключении лопатки к аноду, а электрода-инструмента к катоду (Патент США, №5,306,401. МПК В23Н 9/16; В23Н 9/10; В23Н 9/00. Method for drilling cooling holes in turbine blades. Опубл. 1994 г).
Однако способ-прототип не позволяет обеспечивать высокое качество и производительность обработки перфорационных отверстий, поскольку количество обрабатываемых перфорационных отверстий в лопатках современных газовых турбин составляет в среднем от 50 до 300 штук. При этом индивидуальная обработка каждого перфорационного отверстия значительно снижает производительность обработки, а необходимость внедрения электрода-инструмента в предварительно прошитое отверстие требует особо высокой точности, и возникающая при этом погрешность взаимного расположения электрода-инструмента и прошитого перфорационного отверстия приводит к снижению качества обработки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и однородности обработки внутренних поверхностей перфорационных отверстий при одновременном повышении производительности процесса удаления дефектного слоя в перфорационных отверстиях.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества и производительности обработки внутренних поверхностей перфорационных отверстий за счет обеспечения равномерного удаления в них дефектного слоя.
Технический результат достигается за счет того, что вспособеизготовления перфорационных отверстий в полой лопатке турбины из жаропрочного сплава, включающем прожиг отверстий на пере лопатки электроэрозионным или лазерным методом с последующим электрохимическим удалением в образованных перфорационных отверстиях дефектного поверхностного слоя, перемещением электрода-инструмента по внутренней поверхности перфорационных отверстий, при подключении лопатки к аноду, а электрода-инструмента к катоду, в отличие от прототипа в качестве электрода-инструмента используют пористые гранулы из диэлектрического материала, пропитанные электролитом, обеспечивающим электропроводность гранул без образования пленки электролита на их внешних поверхностях, и имеющие размеры от 3 до 12 раз меньшие, чем размеры поперечного сечения перфорационных отверстий, которые размещают в контейнере и подключают их к катоду, погружают обрабатываемую лопатку в гранулы, обеспечивают перемещение гранул через перфорационные отверстия лопатки и проводят обработку их внутренней поверхности до полного снятия с поверхности перфорационных отверстий дефектного слоя.
Кроме того, возможно использование следующих приемов:перемещение гранул через перфорационные отверстия лопатки осуществляют при их возвратно-поступательном движении; используют контейнер, заполненный гранулами, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности перфорационных отверстий лопатки; используют контейнер, заполненный гранулами, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности перфорационных отверстий лопатки; удаление дефектного слоя в перфорационных отверстиях осуществляют при вибрации гранул с частотой от 10-50 Гц с амплитудой 0,5-2,5 мм, а в качестве гранул используют либо сферические частицы диаметром от 0,1 до 0,5 мм, либо овальные частицы размерами от 0,1 до 0,7 мм, а в качестве материала гранул используют сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола; перед погружением лопатки в гранулы и удалением дефектного слоя в перфорационных отверстияхосуществляют отжиг при температуре 1000-1050°С в течение 2 - 3 ч в вакууме или защитной атмосфере.
Известно использование экрана из диэлектрического материала в виде шаблона с отверстиями при групповой электроэрозионной прошивкеотверстий в металлической детали (патент РФ №2625378. МПК В23Н 9/14, опубл. Бюл. №20, 2017), однако целью данного способа является не удаление дефектного слоя материала в перфорационных отверстиях, а повышение точности многоэлектродной электроэрозионной прошивки группы отверстий.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид лопатки с перфорационными отверстиями, на фиг. 2 показана схема поэтапной обработки перфорационных отверстий (фиг. 2 А - поверхность пера лопатки перед электроэрозионной или лазерной прошивкой, фиг. 2 Б - перо лопатки после электроэрозионной или лазерной прошивки перфорационных отверстий, фиг. 2 В - обработка перфорационных отверстий в пере лопатки гранулами с электролитом, фиг. 2 г - перфорационные отверстия с удаленным дефектным слоем). На фигурах обозначено: 1 - лопатка из жаропрочного сплава; 2 - перо лопатки; 3 - перфорационные отверстия на пере лопатки; 4 - дефектный слой в перфорационных отверстиях лопатки; 5 - гранулы, пропитанные электролитом; 6 - поверхность перфорационных отверстий после удаления дефектного слоя.
Заявляемый способ изготовления перфорационных отверстий в полой лопатке турбины из жаропрочного сплава (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Электроэрозионным или лазерным способом прожигают отверстия 3 в пере 2 лопатки 1 (фиг. 2 Б). В контейнере рамещают пористые гранулы 5, пропитанные электролитом, подключают гранулы 5 к катоду, а обрабатываемую лопатку 1 к аноду, погружают обрабатываемую лопатку 1 в гранулы 5 и обеспечивают перемещение гранул 5 через перфорационные отверстия 3 лопатки 1, подают электрический потенциал на обрабатываемую лопатку 1 и осуществляют обработку внутренней поверхности перфорационных отверстий 3 с дефектным слоем 4 (фиг. 2 В) до полного удаления с поверхности перфорационных отверстий 3 дефектного слоя 4 (фиг. 2 В) и образования в них бездефектного поверхностного слоя 6 (фиг. 2 Г).
В качестве электрода-инструмента используют пористые гранулы 5 из диэлектрического материала, пропитанные электролитом, обеспечивающим электропроводность гранул 5 без образования пленки электролита на их внешних поверхностях. В зависимости от размеров поперечного сечения перфорационных отверстий 3 размеры гранул 5 должны быть меньше размеров упомянутых отверстий 3в 3-12 раз(по сравнению с размерамипоперечного сечения перфорационных отверстий 5).
Перемещение гранул 5 через перфорационные отверстия 3 лопатки 1 могут осуществляться при обеспечении их возвратно-поступательного движения. Может быть использован контейнер, заполненный гранулами 5, снабженный контактирующими с гранулами электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул 5 между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности 4 перфорационных отверстий 3 лопатки 1. По другому варианту можно использовать контейнер, заполненный гранулами 5, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул 5 между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности 4 перфорационных отверстий 3 лопатки 1. Удаление дефектного слоя 4 в перфорационных отверстиях 3 можно осуществлять при вибрации гранул с частотой от 10-50 Гц, с амплитудой 0,5-2,5 мм, а в качестве гранул 5 использовать либо сферические частицы диаметром от 0,1 до 0,5 мм, либо овальные частицы размерами от 0,1 до 0,7 мм, а в качестве материала гранул 5 использовать сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Для удаления образующихся в поверхностном слое при электроэрозионной или лазерной прошивке отверстий загрязненийперед погружением лопатки 1 в гранулы 5 и удалением дефектного слоя 4 в перфорационных отверстиях 3осуществляют отжиг при температуре 1000-1050°С в течение 2-3 ч в вакууме или защитной атмосфере.
Возвратно-поступательные движения гранул 5 позволяют обеспечить равномерное воздействие на всю обрабатываемую поверхность 4 и тем самым повысить ее качество и однородность. Поскольку гранулы 5 проникают во все перфорационные отверстия 3 лопатки 1, то происходит их одновременная обработка, что кардинально повышает производительность процесса снятия дефектного слоя в перфорационных отверстиях. Кроме того, за счет создания однородных условий для всего объема гранул обеспечивается равномерное протекание электрических процессов, в частности ионного переноса при обработке лопатки.
При осуществлении способа происходят следующие процессы. При возвратно-поступательном движении гранул происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью лопатки. При этом столкновения между гранулами происходят также и во всем объеме контейнера, создавая таким образом для всего объема гранул равномерные условия протекания электрических процессов. При этом электрические процессы между деталью (анодом) и гранулами (катодом) происходят за счет контакта массы электропроводных гранул друг с другом и с находящимся под отрицательным потенциалом рабочего контейнера и/или введенных в массу гранул электродов (катодов), находящихся под отрицательным потенциалом. При столкновениях гранул с микровыступами на обрабатываемой поверхности детали происходит ионный унос массы с микровыступов, в результате чего происходит выравнивание поверхности, уменьшается ее шероховатость и происходит удаление дефектного слоя.
Исследования, проведенные по удалению дефектного слоя в перфорационных отверстиях в деталях из жаропрочных сплавов показали, что при размерах (диаметрах) гранул более чем 1/3 и меньших, чем 1/12 перфорационного отверстия эффект удаления дефектного слояснижается.
Пример осуществления способа.
2
На пере полой охлаждаемой лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У производили формирование 46 перфорационных отверстий диаметром от 1,2 мм до 1,5 мм. Перфорационные отверстия прошивались электроэрозионным способом при помощи электрода-инструмента, выполненного в виде гребенки, с диаметром электродов и их расположением, позволяющим произвести прошивку перфорационных отверстий в заданных участках поверхности пера лопатки. После прошивки всех перфорационных отверстий производилась электрохимическая обработка поверхности при помощи пропитанных электролитом пористых гранул в виде сферических частиц размерами от 0,1 до 0,4 мм. Процесс электрохимической обработки проводили при плотности тока 1,8-2,4 А/см. В качестве электролита для пропитки гранул использовался электролит на основе водного раствора хлористого калия и хлористого аммония. Аналогичная лопатка с перфорациями была обработана по способу-прототипу (патент США №5,306,401) с использованием метода индивидуальной обработки перфорационных отверстий. Металлографические исследования перфорационных отверстий на пере лопаток, обработанных по сравниваемым способам показали, что при обработке по способу-прототипу имелся существенный разброс в обеспечении равномерности удаления дефектного слоя с поверхности перфорационных отверстий (до 16%), в то время как обработка по предлагаемой технологии показала высокую степень однородности снятия дефектного слоя (до 2% разброса по толщине удаляемого слоя). Повышение производительности обработки определялось количеством одновременно обрабатываемых отверстий. В прототипе на обработку одного отверстия затрачивалось около 12 минут, в то время как по предлагаемому способу обработка всех 46 перфорационных отверстий в лопатке осуществлялась за 38 минут (т.е. 0,83 минуты на одно перфорационное отверстие). Очевидно, что производительность процесса обработки повышается при увеличении количества перфорационных отверстий на лопатке. В данном конкретном случае повышение производительности обработки составило в 14 раз больше по сравнению со способом-прототипом.
Таким образом, предложенный способ изготовления перфорационных отверстий на полой лопатке турбины из жаропрочного сплавапозволяет повысить производительность, качество и однородность обработки внутренних поверхностей перфорационных отверстий на пере лопатки.