СПОСОБ ЭЛЕКТРОПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА
BLISK BLADES ELECTROPOLISHING METHOD

Изобретение относится к электрополированию лопаток блисков и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток блиска компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин, а также в качестве подготовительной операции перед ионно-имплантационным модифицированием поверхности детали и нанесением защитных ионно-плазменных покрытий.
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.
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.
Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов [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, а также к повышению его трудоемкости.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ ионного полирования металлической детали, заключающийся в заполнении электропроводящими гранулами рабочий контейнер установки, выполненный их электропроводного материала, закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие контейнер, подключении детали к аноду, а контейнера к катоду. [WO 2017186992 - |Method for smoothing and polishing metals via ion transport by means of free solid bodies, and solid bodies for carrying out said method. Опубл. 2017.11.02].
Однако известный способ [WO 2017186992] не позволяет обеспечить высокое качество поверхности детали за счет неравномерности взаимодействия гранул с обрабатываемой поверхностью лопаток блиска.
Кроме того, способ-прототип [WO 2017186992] не может быть применен 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. При этом 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 обработки и надежности процесса полирования лопаток блисков за счет обеспечения равномерного взаимодействия гранул с поверхностью обрабатываемой детали и уменьшения площади обработки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества и однородности обработки поверхности деталей.
Технический результат достигается за счет того, что в способе электрополирования лопаток блиска, включающем заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера, закрепление блиска на держателе, погружение блиска в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер и выполненные в виде пористых гранул из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола, поры которых заполнены электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы, подключении блиска к аноду, а гранул к катоду, и полирование до получения заданной шероховатости поверхности лопаток блиска, в отличие от прототипа блиск погружают в электропроводящие гранулы частично на глубину, обеспечивающую полное погружение сегмента блиска с находящейся в его центре лопаткой, а электропроводящие гранулы приводят в непрерывное возвратно-поступательное движение амплитудой 22 кГц в направлении вдоль спинки и корыта лопатки, обеспечивающем равномерное омывание электропроводящими гранулами спинки и корыта лопатки и вращают блиск относительно его оси со скоростью, обеспечивающей полирование поверхности лопаток блиска до получения заданной шероховатости по крайней мере за один цикл поворота блиска относительно его оси.
4
4
Кроме того возможны следующие приемы способа: электропроводящие гранулы приводят в возвратно-поступательное движение возвратно-поступательным движением рабочего контейнера; используют рабочий контейнер выполненный из электропроводного материала, а подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью контейнера; в качестве гранул используют сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм или овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм; полирование осуществляют в среде аргона, при этом 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.
Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными ниже примерами.
Изобретение поясняется следующей схемой. На фиг. 1 и 2 показан процесс электрополирования лопатки блиска. На фиг. 1 представлен блиск в процессе полирования лопаток, на фиг. 2 - блиск в процессе полирования лопаток (вид сверху. Фигуры 1 и 2 содержат: 1 - блиск; 2 - лопатка блиска; 3 - текущая (обрабатываемая) лопатка блиска; 4 - рабочий контейнер; 5 - электропроводные гранулы; 6 - держатель блиска. (Стрелками показано возвратно-поступательное движение рабочего контейнера; скругленной стрелкой - направления вращения блиска).
Заявляемый способ электрополирования лопаток блиска осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2). Обрабатываемый блиск 1 закрепляют на держателе блиска 6 и погружают нижнюю его часть (сегмент) в рабочий контейнер 4 с электропроводящими гранулами 5, прикладывают к обрабатываемому блиску 1 положительный электрический потенциал (анод), а к электропроводящим гранулам - отрицательный электрический потенциал (катод), придают электропроводящим гранулам 5 возвратно-поступательное движение по одному из выбранных режимов. Блиск 1 погружают в электропроводящие гранулы частично, охватывая только его сегмент (фиг. 1), причем погружение осуществляют на глубину, обеспечивающую полное погружение текущей обрабатываемой лопатки 3, находящейся в центре сегмента блиска 1. Электропроводящие гранулы 5 приводят в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта лопатки 3 (показано стрелками), обеспечивающем равномерное омывание электропроводящими гранулами 5 спинки и корыта лопатки 3 и вращают блиск 1 относительно его оси со скоростью обеспечивающей полирование поверхности лопаток блиска 1. При этом возвратно-поступательное движение электропроводящих гранул 5 могут быть созданы за счет возвратно-поступательных движений рабочего контейнера 4 или блиска 1. Блиск 1 закрепляют на держателе с возможностью поворота блиска 1 вокруг своей оси, устанавливают текущую лопатку блиска 3 перед рабочим контейнером 4 (фиг. 1), а погружение текущей лопатки блиска 3 в электропроводящие гранулы 5 осуществляют опусканием блиска 1 перемещая вниз держатель 6 (фиг. 1). Причем в процессе полирования текущей лопатки блиска 3 обеспечивают возвратно-поступательное движения гранул во всем объеме рабочего контейнера 4, а в процессе обработки текущей лопатки 3 блиска 1, держатель 6 поворачивает блиск 1 вокруг его оси постепенно погружая в электропроводящие гранулы 5 очередную обрабатываемую лопатку 2, которая становится текущей (обрабатываемой в данный момент)лопаткой 3. Указанный цикл последовательного полирования лопаток блиска 2 повторяют до окончания полирования всех лопаток блиска 2.
Для полирования каждой лопатки блиска 2 используют рабочий контейнер 4 в виде коробки, выполненной с возможностью обеспечения возвратно-поступательного движения при помощи одного из известных способов. Рабочий контейнер 4 выполняют электроизолированным с внешней его стороны. Причем для лучшей герметизации рабочего контейнера 4.
2
4
4
Процесс полирования может осуществляться при плотности тока 0,2-10 А/см. В качестве электропроводящих гранул 5 могут использоваться, либо сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм, а также пористые гранулы 5 из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы 5, например, гранулы 5 выполненные из сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Полирование может осуществляться в среде аргона, особенно при полировании деталей из титана и титановых сплавов, в частности лопаток блиска 2 турбины. При полировании блиска 1 из титанового сплава в качестве электролита может использоваться водный раствор смеси NHF и KF при содержании NHF - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л. Кроме того, в процессе полирования может дополнительно производится относительное движение обрабатываемого блиска 1 и рабочего контейнера 4 в режимах возвратно-поступательного движения. Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности лопаток блиска 1.
Возвратно-поступательные движения электропроводящих гранул 5 позволяют обеспечить равномерное воздействие на всю обрабатываемую поверхность текущей лопатки 3 и тем самым повысить качество и однородность ее поверхности. Кроме того, за счет создание однородных условий для всего объема гранул обеспечивается равномерное протекание электрических процессов, в частности ионного переноса при обработки лопатки.
При осуществлении способа происходят следующие процессы. При возвратно-поступательном движении гранул происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью детали. При этом столкновения между гранулами происходят также и во всем объеме рабочего 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 полирование поверхности.
4
4
2
Пример. Обработке подвергали лопатки блиска из титанового сплава марки ВТ9. Обрабатываемые лопатки блиска последовательно погружали в рабочий контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. Полирование производили в среде аргона. В качестве электролита-заполнителя гранул использовали водный раствор смеси NHF и KF при содержании NHF - 6 г/л и KF - 33 г/л. Прикладывали к детали положительное, а к гранулам (через корпус контейнера) - отрицательное напряжение. Процесс полирования проводили при непрерывном колебательном движении гранул амплитудой 22 кГц. Процесс полирования проводили при плотности тока 1,8 А/см.
4
4
2
Условия обработки по способу-прототипу [WO 2017186992] были следующие. Взаимодействие лопаток блиска и гранул за счет вращения блиска в объеме гранул. Обрабатываемые лопатки погружали рабочий контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. Рабочий контейнер обеспечивал погружение сразу всех лопаток блиска в гранулы. Полирование производили в среде аргона. В качестве электролита-заполнителя гранул использовали водный раствор смеси NHF и KF при содержании NHF - 6 г/л и KF - 33 г/л. Прикладывали к детали положительное, а к гранулам (через корпус контейнера) - отрицательное напряжение. Процесс полирования проводилипри плотности тока 1,8 А/см.
Сравнивались величины шероховатости на различных участках детали после сравниваемых способах обработки. Исходная шероховатость поверхности деталей составляла Ra 0,72 мкм. После обработки разброс шероховатости на различных участках поверхности обработанных деталей составляла: для прототипа от Ra 0,16 мкм до Ra 0,32 мкм, для обработанных по предлагаемому способу от Ra 0,14 мкм до Ra 0,18 мкм. Кроме того, при обработке по способу-прототипу наблюдался перегрев среды гранул и блиска из-за необходимости использования большей энергии, поскольку площадь обработки в этом случае была значительно большей, чем по предлагаемому способу.
Кроме того, были проведены исследования следующих режимов обработки деталей из титановых сплава, (ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8). За отрицательный результат принимался режим обработки дающий разброс значений шероховатости по поверхности детали более ΔRa 0, 05 мкм. Возвратно-поступательные движения гранул - удовлетворительный результат (У.Р.), обеспечение только трения гранул о поверхность обрабатываемой детали при ее полном погружении неудовлетворительный результат (Н.Р.).
Размеры и форма гранул: сферические частицы диаметром: 0,2 мм (Н.Р.), 0,4 мм (У.Р.), 0,6 мм (У.Р.), 0,8 мм (У.Р.), 1,2 мм (У.Р.), 0,14 мм (Н.Р.). Овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм. 0,2 мм (Н.Р.), 0,3 мм (У.Р.), 0,5 мм (У.Р.), 0,8 мм (У.Р.), 1,2 мм (У.Р.), 1,4 мм (У.Р.), 0,16 мм (Н.Р.).
4
4
Улучшение качества электрополирования лопаток блиска по предлагаемому способу, во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование способа электрополирования лопаток блиска, включающего следующие признаки: заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера; закрепление блиска на держателе; погружении блиска в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер; подключении блиска к аноду, а гранул к катоду и полирование до получения заданной шероховатости поверхности лопаток блиска; погружение блиска в электропроводящие гранулы частично, охватывая только сегмент блиска; погружение на глубину, обеспечивающую полное погружение лопатки, находящейся в центре сегмента; приведение электропроводящих гранул в возвратно-поступательное движение в направлении вдоль спинки и корыта лопатки, обеспечивающем равномерное омывание электропроводящими гранулами спинки и корыта лопатки; вращение блиска относительно его оси со скоростью обеспечивающей полирование поверхности лопаток блиска до получения заданной шероховатости, по крайней мере за один цикл поворота блиска относительно его оси, а также использование следующих признаков способа: приведение электропроводящих гранул в возвратно-поступательное движение возвратно-поступательным движением рабочего контейнера; использование рабочего контейнера, выполненного из электропроводного материала, а подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью контейнера; в качестве гранул используют, либо сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм; используют пористые гранулы из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы; в качестве материала гранул используют сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола; полирование осуществляют в среде аргона,, а 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, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повышение качества и однородности обработки поверхности деталей.