СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ДЕТАЛИ
ELECTROLYTIC-PLASMA POLISHING METHOD OF PART

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке металлических деталей и может быть использовано для полирования лопаток турбомашин из никелевых и титановых сплавов.
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, кл. C25F 3/16, 1996, БИ N 3].
Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ N 1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ N 3], а также способ электрохимического полирования [Патент США N 5028304, кл. В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].
Известен также способ электролитно-плазменного полирования (ЭПП) 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 известные способы ЭПП не позволяют стабилизировать равномерность обработки поверхности детали.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменной обработки детали, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала и образования в парогазовой оболочке плазмы (патент РФ №2357019, МПК C25F 3/16. Опубл.: Бюл. №15, 2009).
Недостатком прототипа (патент РФ №2357019) является недостаточно высокая производительность процесса обработки и невозможность равномерной обработки поверхности детали.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышении производительности процесса обработки детали.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение равномерной обработки поверхности.
Технический результат достигается тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали, включающем погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь и образования в парогазовой оболочке плазмы, в отличие от в процессе электролитно-плазменного полирования вокруг обрабатываемой детали создают постоянное магнитное поле равномерной напряженности в диапазоне 100 - 300 кА /м по всей обрабатываемой поверхности, при этом обработку детали осуществляют в режиме скрещивания магнитного и электрического полей, причем на деталь подают электрический потенциал от 280 до 600 В.
a
a
Кроме того, возможны следующие дополнительные приемы выполнения способа: осуществляют полирование детали из титанового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 3 до 7 вес.% гидроксиламина солянокислого с содержанием от 0,7 до 0,8 вес.% NaF или KF, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже R=0,08-0,12 мкм при температуре от 74°С до 86°С; осуществляют полирование детали из никелевого или хромоникелевого сплава, а в качестве электролита используют 4-8% водный раствор сульфата аммония, при этом полирование ведут до обеспечения шероховатости не ниже R=0,08-0,12 мкм при температуре от 65°С до 80°С; производят полирование детали в виде лопатки турбомашины, а магнитное поле создают электромагнитом.
В результате действия электрического поля между электролитом и поверхностью детали в парогазовой оболочке происходит ионизация газа и формируется плазма. В скрещенных магнитном и электрическом полях заряженная частица плазмы парогазовой оболочки одновременно участвует в двух видах движения: вращательном движении в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, обусловленном действием силы Лоренца, и поступательном движении, обусловленном воздействием электрического поля на величину линейной скорости движения заряженной частицы. В результате многократного возрастания эффективности ионизации формируется высокая плотность ионного тока, и высокие скорости распыления поверхности. (Чен, Ф. Введение в физику плазмы / Ф. Чен. - М.: Мир, 1987.)
Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются описанием процесса обработки и нижеприведенными примерами.
Заявляемый способ электрохимического полирования металлических изделий осуществляется следующим образом. Обрабатываемое металлическое изделие погружают в ванну с водным раствором электролита, помещают в полость устройства, обеспечивающего равномерное магнитное поле по всей обрабатываемой поверхности изделия, производят, прикладывают к изделию положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное, в результате чего достигают возникновения вокруг детали парогазовой оболочки и разряда между обрабатываемым изделием и электролитом, а также и образования в парогазовой оболочке плазмы. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки и магнитного поля, обеспечивающего режим электролитно-плазменного полирования в скрещенных электрических и магнитных полях.
При осуществлении способа происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки и образования в ней плазмы. 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. Наличие скрещенных электрических и магнитных полей позволяет стабилизировать процессы обработки и повысить концентрацию ионов в плазме парогазовой
оболочки, что позволяет также повысить производительность процесса обработки.
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. Обрабатываемые образцы деталей из хромоникелевых сплавов (ХН45МВТЮБР-ИД, ХН45МВТЮБР-ПД) погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. В режиме скрещенных электрических и магнитных полей, обеспечивали постоянное магнитное поле, напряженностью в диапазонах от 50 до 500 кА/м. Полирование поверхности детали проводили прикладывая к ней электрический потенциал величиной от 280 до 600 В, используя постоянное магнитное поле напряженностью 50-500 кА/м. Полирование проводили до достижения требуемой величины шероховатости поверхности. Полирование проводили в среде электролита: 4-8% водный раствор сульфата аммония. При обработке проводили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 65…80°C).
Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат, при котором отсутствовал эффект полирования или уменьшения шероховатости поверхности детали, не обеспечивалась равномерность
обработки поверхности и производительность процесса не превышала производительность процесса обработки прототипа в 1,3-раза.
Условия обработки по предлагаемому способу.
Электрический потенциал на детали:
Положительный потенциал: 270 В - Н.Р.; 280 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 290 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 350 В - У.Р.; 400 В - У.Р.; 500 В - У.Р.; 600 В - У.Р.; 650 В - Н.Р.
Магнитное поле напряженностью в режиме скрещенных электрических и магнитных полей: 80 кА/м - Н.Р.; 100 кА/м - У.Р.; 150 кА/м - У.Р.; 200 кА/м - У.Р.; 250 кА/м - У.Р.; 300 кА/м - У.Р.; 350 кА/м - Н.Р.
Электролит для деталей из титановых сплавов: водный раствор с содержанием: гидроксиламина солянокислого чистого: 2 вес. % - Н.Р.; 3 вес. % - У.Р.; 4 вес. % - У.Р.; 5 вес. % - У.Р.; 7 вес. % - У.Р.; 8 вес. % - Н.Р.; с содержанием: NaF или KF: 0,6 вес. % - Н.Р.; 0,7 вес. % - У.Р.; 0,8 вес. % - У.Р.; 0,9 вес. % - Н.Р.; температура обработки: 70°C - Н.Р.; 74; °C - У.Р.; 74; °C - У.Р.; 78; °C - У.Р.; 82; °C - У.Р.; 86; °C - У.Р.; 90°C - Н.Р.;
Электролит для деталей из никелевых сплавов: водный раствор с содержанием: сульфата аммония: 3 вес. % - Н.Р.; 4 вес. % - У.Р.; 5 вес. % - У.Р.; 7 вес. % - У.Р.; 8 вес. % - У.Р.; 9 вес. % - Н.Р.; температура обработки: 60°C - Н.Р.; 65°C - У.Р.; 70; °C - У.Р.; 75;°C- У.Р.; 80; °C - У.Р.; 90°C - Н.Р.
По сравнению с известным способом полирования (патент РФ №2357019) производительность процесса по предлагаемому способу в среднем в 2,8-3,3 раза выше, а разброс значений шероховатости поверхности при обработке по предлагаемому способу составляет Ra 0,30…0,02 мкм, в то время, как по прототипу шероховатость составляет по прототипу Ra 0,65…0,03 мкм.