СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЛАВОВ ТИТАНА
METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF FLAT PARTS FROM TITANIUM ALLOYS

Заявляемое техническое решение относится к области пескоструйной обработки, а именно к способам создания заданной текстуры поверхности изделий, преимущественно тонколистовых из титановых сплавов, под склеивание.
Подготовка детали под склеивание включает:
- очистку и обезжиривание поверхностей детали, подлежащих склеиванию;
- обработку поверхностей перед склеиванием.
Для обработки поверхности перед склеиванием применяются физические (механические), химические и физико-химические способы.
Физический (механический) способ обработки поверхностей детали представляет собой абразивную обработку струйными методами или зачистку поверхностей шлифовальными шкурками. Данный способ применяется для подготовки поверхностей металлов, стеклопластиков, композиционных материалов. При этом струйные методы применяются для деталей из титановых сплавов толщиной не менее 3 мм с использованием электрокорунда, кварцевого песка или карбида кремния. Если толщина детали менее 3 мм, то после обработки она будет иметь значительные коробления. При абразивной обработке струйным методом важную роль имеют размеры и форма частиц абразивного материала, а также параметры процесса - давление сжатого воздуха, диаметр сопла, угол наклона сопла и расстояние его к обрабатываемой поверхности.
При химическом способе обработки поверхностей деталей из титановых сплавов без ограничения их толщины применяются растворы, в состав которых входят серная, азотная, соляная или фосфорная кислоты. При взаимодействии с химическими реагентами на поверхности детали происходит стравливание металла, возможны неравномерность шероховатости и местные растравы. При некоторой положительности химического способа (механизированный процесс) необходимо наличие изолированных, с приточно-вытяжной вентиляцией, производственных участков, складских помещений для хранения химических веществ, рабочих мест для приготовления ванн с кислотными и щелочными растворами и их контроля, а также емкостей для нейтрализации использованных растворов.
Физико-химический способ обработки поверхностей детали перед склеиванием состоит из комбинации методов физического (механического) способа и химического (Петрова А.П. Клеящие материалы. Справочник. Москва «Каучук и резина», 2002, с. 128-141).
Способ подготовки поверхностей может быть определяющим для обеспечения высокого качества склеивания. Особенно это проявляется при склеивании крупногабаритных, имеющих коробчатую форму, деталей из тонколистовых титановых сплавов, прошедших длительную термическую обработку для снятия внутренних напряжений и обеспечения размеров после «холодного» формообразования. Некачественная подготовка поверхности под склеивание приводит к понижению адгезии (сцеплению приведенных в контакт разнородных тел) и, как правило, к разрушению клеевого соединения. Способ подготовки поверхности должен обеспечивать как максимально возможную прочность клеевого соединения, так и его работоспособность в условиях эксплуатации. Подготовка под склеивание изменяет поверхность субстрата (детали), делая ее более активной при контакте с клеем.
Из уровня техники известно техническое решение по патенту US 8252130 (заявитель MITSUBISHI HEAVY IND LTD [JP]; МПК B24C 11/00, B64C 1/00, C23C 8/12, C23C 8/36, C23C 8/80; приоритет WO 2005 JP 02346 от 16.02.2005), согласно которому поверхности элементов из титанового сплава аэрокосмического оборудования для получения высокой износостойкости, смазывающей способности и высокой усталостной прочности придаются насыщению (диффузии) кислородосодержащим газом с последующей бомбардировкой воздушным потоком, содержащим частицы. Данный способ не предназначен для удаления слоя окислов и хрупкого кислородонасыщенного слоя с поверхности титанового сплава, а преобразует их. При бомбардировке воздушным потоком с содержанием частиц окисные слои могут оставаться на поверхности или внедряться в металл, что недопустимо для склеиваемой поверхности.
Известен способ обработки поверхности пластин (патент US 6269669; заявители NISSHIN SPINNING [JP], МАСОНО СО LTD [JP]; МПК В24С 1/06, В24С 11/00, В24СЗ/12, В24С 9/00, С23С 22/07, С23С 22/78, F16D 65/092; приоритет JP 19980092866 от 06.04.1998), оригинальность которого состоит в том, что подготовка поверхности пластины для склеивания производится взрывной суспензией, содержащей частицы из нержавеющей стали или титана через воздух под высоким давлением. Пластины установлены на конвейере с магнитами для улавливания ржавчины, стальных окислов из суспензии. Подача суспензии производится через сопла, установленные вдоль конвейера под различными углами для последовательной обработки поверхностей пластин при движении конвейера по маршруту циркуляции. Данный способ может эффективно быть использован в массовом производстве.
Способами обработки поверхности металлов, в частности струйно-абразивной очисткой поверхности изделий из титановых сплавов, активно занимается ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСТА» (Российская Федерация). Среди патентов, принадлежащих данному заявителю, можно выделить ряд относящихся к области пескоструйной (струйно-абразивной) обработки металлов, а именно к способам создания заданной текстуры поверхности изделий из титановых сплавов.
Так, согласно патенту RU 2174461 (МПК В24С 1/00, В24С 11/00; заявка от 03.05.2000), заявленное техническое решение относится к струйно-абразивной обработке поверхности литых полуфабрикатов и используется в металлургии для получения высокочистой (без окалины, шлака, окисных пленок на поверхности) лигатуры, применяемой при выплавке слитков титановых сплавов. Удаление окалины, шлака, окислов с поверхности титановой лигатуры производится струйно-абразивной обработкой путем воздействия на обрабатываемую поверхность водовоздушной смеси (пульпы) с мелкодисперсными частицами отходов плавильного производства размером порядка 200 мкм при давлении 0,315-0,750 МПа (3,15-7,5 атм.). После очистки полуфабрикаты (лигатурные слитки) моются водой и сушатся потоком теплого сжатого воздуха.
В патенте RU 2381096 этого же заявителя (МПК В24С 1/00, В24С 11/00; заявка от 22.04.2008) заявлен способ очистки струйно-абразивной обработкой поверхности изделий из титановых сплавов. При данном способе образованные на изделиях из титановых сплавов после термической обработки окалина, окислы удаляются частицами гидроабразивной суспензии в струе сжатого воздуха. Способ обеспечивает удаление окисных пленок, окалины с пористой поверхности литых деталей, требуемую шероховатость, размеры, снижает трудоемкость. При струйно-абразивной обработке поверхности изделий (длина до 5000 мм, сечение (15-30) × 40 мм) гидроабразивная суспензия с частицами абразива размером 50-80 мкм подается струей сжатого газа (воздуха) давлением 3,0-3,5 бар через сверхзвуковое сопло, обрабатываемое изделие линейно перемещается с заданной скоростью. Всесторонняя обработка поверхности производится поворачиванием (кручением) изделия вдоль продольной оси с углом атаки 60-90° сопла к обрабатываемой поверхности.
Указанные эффективные в металлургии способы удаления окалины, оксидной пленки или дефектного поверхностного слоя металла с поверхности изделий и полуфабрикатов из титановых сплавов путем воздействия на обрабатываемую поверхность водовоздушной смеси (пульпы) с частицами абразива уступают применяемому в машиностроении способу обработки поверхностей частицами электрокорунда в струе сжатого воздуха, при котором:
- используется многоразовый электрокорунд в отличие от водовоздушной смеси (пульпа) разового применения с необходимостью фильтрации и утилизации отходов;
- нет необходимости в сверхзвуковом сопле для подачи гидроабразивной суспензии струей сжатого воздуха с высоким давлением;
- исключается необходимость в дорогостоящем оборудовании. Прототипом авторами заявляемого технического решения был выбран способ обработки поверхности изделий по патенту RU 2152865 (МПК В24С 1/00; заявка от 10.02.1999). Задачей способа является улучшение качества и внешнего вида поверхности изделий из листовых, толщиной 0,3-5 мм, титановых сплавов, повышения технологичности полуфабрикатов при последующей его обработке. По технической сущности указанный способ наиболее близок к заявляемому авторами техническому решению.
a
В результате горячей прокатки или термической обработки на поверхности листа из титанового сплава образуются слои окалины, окисные пленки, участки повышенной твердости, которые подлежат удалению. Задача решена тем, что указанным способом проводится очистка поверхности от окалины и окисных пленок с одновременным удалением дефектного поверхностного слоя металла струйно-абразивной обработкой (механический способ) и выполняется финишная (окончательная) операция травления или осветления (химический способ) с получением текстуры (характер строений твердого вещества, расположение его составных частей) поверхности произвольного типа с величиной шероховатости R = 0,5-5,5 мкм. Струйно-абразивная обработка производится водовоздушной смесью, наполненной мелкодисперсными частицами, смесь разгоняется потоком сжатого воздуха. Операция травления (осветления) выполняется в растворе кислот. Величина шероховатости поверхности обеспечивается размерами и твердостью частиц и давлением сжатого воздуха. Скоростью встречи частиц с обрабатываемой поверхностью обеспечивается произвольный (песочный) тип текстуры.
При достигаемой эффективности обработки поверхности листовых титановых сплавов авторы предлагаемого способа считают, что:
- двухстадийная обработка поверхности (механический + химический способ) требует наличия отдельных производственных участков с дополнительными затратами, повышающими трудоемкость;
- при финишной операции (травление или осветление) возможны неравномерность шероховатости, растравы поверхности;
-значительное, за один проход водовоздушной смеси, утонение листа (50 мкм при толщине листа 2,5 мм и 30 мкм при обработке тонкого листа), травление при финишной обработке дополнительно увеличит утонение листа;
- проблематично при использовании отходов производства в качестве наполнителя водовоздушной смеси обеспечить повторяемость и однородность микрорельефа и текстуры поверхности листа;
a
- значительный разбег величин шероховатости (R от 0,5 мкм до 5,5 мкм) требует постоянную регулировку и контроль технологического процесса (замена мелкодисперсных частиц, обеспечение необходимой скорости частиц), отсутствие коробления листов толщиной 0,3 мм обеспечено использованием мягких частиц при обдувке (твердость по шкале Мооса 1-2 - это тальк (1) или гипс (2)).
Перед авторами заявляемого технического решения стояла задача по созданию способа удаления окалины или оксидной пленки с одновременным удалением дефектного поверхностного слоя металла с поверхности отожженных крупногабаритных деталей, имеющих сложную конфигурацию и выполненных из тонколистового титанового сплава, и получения при этом по всей площади деталей необходимой шероховатости и равномерности поверхности без ее коробления, которые влияют на параметр, определяющий качество клеевого соединения, - смачиваемость субстрата клеем, т.е. способность клея растекаться по поверхности субстрата.
В результате авторами был получен эффективный, малозатратный, экологически чистый способ удаления окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла с поверхности крупногабаритных тонколистовых титановых деталей, исключающий коробление при подготовке их к склеиванию.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ обработка поверхности плоских деталей из сплавов титана, включающий операцию очистки поверхности от окалины или оксидной пленки с одновременным удалением дефектного поверхностного слоя металла, выполняется методом струйно-абразивной обработки поверхности мелкодисперсными частицами. При этом плоскую деталь жестко закрепляют по внутренней или наружной поверхности с помощью формообразующей оснастки, после чего производят струйно-абразивную обработку соответственно наружной или внутренней поверхности детали электрокорундом с размерами частиц 90-100 мкм при давлении воздуха 2,0-2,5 бар. Обработке подвергаются поверхности плоских тонколистовых крупногабаритных деталей толщиной 0,4-0,5 мм.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - кожух звукопроницаемый перфорированный;
фиг. 2 - сопрягаемость поверхностей кожуха с поверхностями коробов;
фиг. 3 - крепление кожуха в коробе для обдувки наружной поверхности;
фиг. 4 - крепление кожуха в коробе для обдувки внутренней поверхности.
Заявляемый способ обработки поверхности плоских деталей из сплавов титана рассмотрен на примере звукопроницаемого перфорированного кожуха 1 (см. фиг. 1), входящего в состав звукопоглощающих конструкций (ЗПК) авиадвигателей разработки ГП «Ивченко-Прогресс». Упомянутые ЗПК представляют собой многослойные крупногабаритные клееные конструкции, имеющие сложный газодинамический профиль трактовой поверхности второго контура турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД).
Кожух 1 изготавливается по математической модели из плоского тонколистового (толщина листа h = 0,4-0,5 мм) пластичного эрозионно-коррозионностойкого титанового сплава ОТ4-0 с предварительно выполненной перфорацией 2, отверстиями 3 и 4 для выштамповок 5 и 6 соответственно, а также вырезанными прямоугольными углами «холодной» (температура окружающей среды) штамповкой в штампе. После чего формовкой на стапеле кожух 1 (см. фиг. 1, разрезы А-А и Б-Б) приобретает коробчатую форму с конической или двойной кривизны поверхностью - длина по хорде а = 700-1450 мм, ширина b = 130-520 мм, высота с = 20-25 мм. Кожух 1 содержит конструктивные элементы в виде отверстий 3, 4 с выштамповками 5, 6, выполненными вовнутрь кожуха 1 под углом α=120°, a также четырех вертикальных пазов 7, выполненных по углам кожуха 1, размер которых составляет I = 2,5-4,0 мм.
Для снятия внутренних напряжений и обеспечения формы и размеров кожух 1, закрепленный в штампе, проходит термическую обработку. В процессе длительного нагрева в атмосфере воздуха на поверхности кожуха 1 происходит образование окалины или оксидной пленки и диффузия кислорода вглубь металла. При этом под окалиной образуется дефектный хрупкий газонасыщенный (альфированный) слой металла, который снижает пластичность и работоспособность детали, в частности кожуха 1. Глубина дефектного слоя зависит от температуры и времени нагрева детали, химического и фазового состава сплава, из которого изготовлена деталь. При термообработке, в частности температурном режиме 560-640°С и времени нагрева 4-6 часов в закрытом штампе, на поверхностях тонколистового кожуха 1 из ОТ4-0 образуется окалина или оксидная пленка, увеличивающая толщину листа на 5-7 мкм, и дефектный поверхностный слой металла глубиной до 20 мкм.
Удаление окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла с поверхностей жестко закрепленного в оснастке оттоженного кожуха 1 производится одновременно механизированным способом в виде абразивной обработки струйным методом, при котором рабочим телом является электрокорунд.
На фиг. 2 показана сопрягаемость поверхностей кожуха 1 с поверхностями стеклопластиковых коробов 8 и 9. Короба 8 и 9 представляют собой формообразующую оснастку и предназначены для крепления кожуха 1 при абразивной обработке и подготовке его поверхностей к склеиванию.
Кожух 8 повторяет форму кожуха 1 и имеет длину и ширину на 0,6-1,0 мм меньше габаритных размеров кожуха 1 для обеспечения по периметру зазора 8а размером s = 0,3-0,5 мм между внутренней стенкой кожуха 1 и наружной стенкой короба 8. Короб 8 содержит конструктивные элементы в виде отверстий 10 с выштамповками 11, выполненными вовнутрь короба 8 под углом α = 120°, а также отверстие 12 соосное с отверстием 4 в коробе 1. При этом отверстия 10 с выштамповками 11 в коробе 8 соосны и совпадают с отверстиями 3 и выштамповками 5 в кожухе 1, а отверстие 12 имеет диаметр, равный диаметру выштамповки 6 в кожухе 1.
Кожух 9 также повторяет форму кожуха 1, но габаритные размеры короба 9 на 0,6-1,0 мм больше габаритных размеров кожуха 1, что обеспечивает по периметру зазор 9а размером s = 0,3-0,5 мм между внутренней стенкой короба 9 и наружной стенкой кожуха 1. Короб 9 содержит конструктивные элементы в виде отверстий 13 с выштамповками 14, выполненными вовнутрь короба 9 под углом α = 120°, которые соосны и совпадают с отверстиями 3 и выштамповками 5 в кожухе 1.
На фиг. 3 и 4 показаны установка и механическое крепление кожуха 1 в коробах 8 и 9 соответственно для удаления окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла абразивной обработкой струйным методом - обдувкой электрокорундом с размером частиц 90-100 мкм в струе сжатого воздуха давлением 2,0-2,5 бар последовательно с наружной (см. фиг. 3), а затем с внутренней (см. фиг. 4) поверхности кожуха 1.
Таким образом, короба 8 и 9 представляют собой формообразующую оснастку, повторяющую противолежащую поверхность от обрабатываемой поверхности детали.
Для обработки наружной поверхности кожуха 1 (см. фиг. 3) его устанавливают на выштамповки 5 и 6 в короб 8 через соосные с выштамповками 5 кожуха 1 выштамповки 11 и отверстия 10 короба 8, а также соосное с выштамповкой 6 отверстие 12. Свободная установка кожуха 1 в коробе 8 обеспечивается зазором s = 0,3-0,5 мм по периметру между внутренней стенкой кожуха 1 и наружной стенкой короба 8. При этом кожух 1 жестко закреплен в коробе 8 винтовым соединением 15 через отверстия 10 в коробе 8 и соосные с ними отверстия 3 выштамповок 5 в кожухе 1.
После обдувки электрокорундом наружной поверхности кожуха 1 производят обдувку его внутренней поверхности (см. фиг. 4). Для обработки внутренней поверхности кожух 1 зафиксирован по выштамповкам 5 и жестко закреплен в коробе 9 винтовым соединением 16 через отверстия 3 в кожухе 1 и соосными с ними отверстия 10 в коробе 9. При этом свободная установка кожуха 1 в коробе 9 обеспечивается зазором s = 0,3-0,5 мм по периметру между внутренней стенкой короба 9 и наружной стенкой кожуха 1.
Удаление окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла с поверхностей жестко закрепленного в формообразующей оснастке оттоженного кожуха 1 и подготовка его поверхностей под склеивание производится двумя этапами:
1. общая очистка и обезжиривание;
2. непосредственно перед склеиванием обработка поверхностей, подлежащих склеиванию.
Очистка и обезжиривание поверхностей детали, в частности кожуха 1, производится известными способами - водными растворами моющих средств или щелочными препаратами с последующей промывкой в проточной воде до нейтральной реакции промывной воды и сушкой на воздухе или обдувкой чистым сухим сжатым воздухом.
Для обработки поверхности плоских листовых толщиной 0,4-0,5 мм деталей из сплавов титана, в частности тонколистового крупногабаритного коробчатой формы кожуха 1 из титанового сплава ОТ4-0, прошедшего после формообразования отжиг при температуре 560-640°С с образованием на поверхности окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла, с обеспечением необходимых характеристик клеевых соединений предложен метод струйно-абразивной обработки мелкодисперсными частицами. Обработка производится электрокорундом с размером частиц 90-100 мкм в струе сжатого воздуха давлением 2,0-2,5 бар поочередно с наружной, затем с внутренней поверхности жестко закрепленной в формообразующей оснастке тонколистовой детали, в частности кожуха 1, через сопло диаметром 14-15 мм на расстоянии 140-145 мм и под углом 40-45° к поверхности обрабатываемой детали (кожуха 1). Сопло перемещается возвратно-поступательным движением вдоль обрабатываемой поверхности закрепленной в механизированной камере детали (кожуха 1). После обработки кожух 1 до склеивания хранится в герметичном чехле из полиэтиленовой пленки, исключается окисление поверхности кислородом воздуха.
В результате проведенных на предприятии заявителя исследований достигнута техническая, экономическая и экологическая эффективность использования струйной обработки электрокорундом с применением формообразующей оснастки при удалении окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла с поверхности отожженных при температуре 560-640°С в течение 4-6 часов тонколистовых кожухов 1 из титанового сплава ОТ4-0, получена необходимая шероховатость, равномерность поверхности, обеспечен уровень прочности клеевых соединений:
- применение формообразующей оснастки (коробов 8, 9) при последовательной (вначале наружная, затем внутренняя поверхность кожуха 1) струйно-абразивной обработке исключает коробление кожуха 1;
- утонение листа из ОТ4-0 после струйной обработки электрокорундом с размерами частиц 90-100 мкм при давлении воздуха 2,0-2,5 бар составляет 17-20 мкм с полным удалением с поверхности окалины или оксидной пленки и дефектного поверхностного слоя металла;
- производительность обработки составила 18-20 мин одного метра квадратного поверхности;
- исключаются работы с вредными условиями труда, обеспечивается охрана окружающей среды.
На предприятии ГП «Ивченко-Прогресс» по предложенному способу подготовлены поверхности кожухов для ЗПК двух типоразмеров, предназначенные для двигателей Д-436-148ФМ и Д-18Т серии ЗМ. Проведена проверка качества изготовления - коробления отсутствуют. Клеевое соединение в ЗПК с подготовленными к склеиванию поверхностями «кожух + заполнитель из полимерного композита» соответствует требованиям конструкторской документации.