СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF ELECTROLYTIC-PLASMA GRINDING OF PARTS FROM TITANIUM AND ITS ALLOYS

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий, преимущественно из титана и титановых сплавов и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и 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) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и 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 (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.)
Однако лопатки турбин из указанных сплавов 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), кл. C25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также патент РБ № 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ № 3].
Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [патент РБ № 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ № 3], а также способ электрохимического полирования [патент США № 5028304, кл. B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].
Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности детелей из титана и титановых сплавов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является способ электролитно-плазменного полирования детали из титана или титановых 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. СПОСОБ МНОГОЭТАПНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. Бюл №32, 2009].
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.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества обработки и надежность процесса полирования деталей из титана и титановых сплавов, а также снижения его трудоемкости за счет использования одноэтапной обработки деталей.
4
4
4
2
2
2
2
Поставленная задача решается тем, что в способе электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов, включающем 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, в отличие от прототипа к обрабатываемой детали прикладывают электрический потенциал от 320 B до 340 B, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NHF, при их содержании, вес.%: NHF от 16% до 26%, KF - остальное, при этом возможно использование следующих вариантов: полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм до 0,5 А/дм, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см до 4000 см; в качестве детали используют лопатку турбомашины; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8%; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8% TiF; перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.
Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представлеными в таблице примерами.
4
4
4
2
2
2
2
Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 320 B до 340 B, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NHF, при их содержании, вес.%: 80% KF и 20% NHF. Полирование, в зависимости от параметров детали (при площади полирования от 1 см до 4000 см) и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм до 0,5 А/дм, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут. Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF. Перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.
Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pH электролита находится в пределах 4-9. Температура электролита - в диапазоне 70-90°C.
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 этом поддерживают заданную температуру процесса. 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 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.
4
4
2
4
4
пл.TiF4
-
При обработке в электролите 2-7% водного раствора смеси KF и NHF при их содержании, вес.%: NHF от 16% до 26%, KF - остальное, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO+F→TiF). При напряжении от 320 B до 340 B температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия паро-газовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (Т=238°C).
-
3
4
4
4
При обработке сложнопрофильных деталей из титана и титановых сплавов (например, лопаток турбомашин) целесообразно введение в состав электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ). Введение ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора, что улучшает состояние парогазового слоя на границе «газ-жидкость». Однако не следует создавать значительных концентраций ПАВ, поскольку это может привести к образованию нежелательных несмываемых пленок на поверхности изделия. Кроме того, увеличение концентрации ПАВ может привести к обратному эффекту, т.е. увеличению величины коэффициента поверхностного натяжения раствора. Концентрация основных компонентов электролита является величиной достаточно варьируемой. При этом нижний предел их концентрации определяется необходимостью обеспечения количественного доминирования ионов фтора над ионами кислорода как в образующейся на поверхности изделия пленке, так и в парогазовой оболочке. Верхний предел концентрации раствора электролита лимитируется увеличением количества образующихся, в процессе обработки, токсичных газообразных продуктов (F, NH). Для минимизации джоуль-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита из диапазона от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NHF (при вес.%: NHF от 16% до 26%, KF - остальное), а также дополнительных добавок (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF), необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.
4
4
4
4
4
4
4
4
a
2
2
2
2
2
2
Пример. Обработке подвергали детали из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ3-1, ВТ6, ВТ8. Обрабатываемые образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Детали обрабатывались в среде электролитов на основе водного раствора, в состав которых входили: от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NHF (при вес.%: 80% KF и 20% NHF), а также дополнительные добавки (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF). При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 70°…90°C). В таблице приведены результаты обработки поверхности изделий из титановых сплавов. Условия обработки по по способу-прототипу, при многоэтапной обработке: первый этап: электрическое напряжение 120…170 В, время - 18…50 сек (0,3…0,8 мин); второй этап: напряжение - 210…350 В, время - 1,5…5 минут (90…300 сек); третий этап: напряжение - 210…350 В, время - 0,8…2,5 минут (90…300 сек) (дополнительное условие обработки на третьем этапе: не вынимая изделие из электролита, отключали электрическое напряжение, затем удаляли изделие из электролита, охлаждали его до температуры окружающей среды (20°C), вновь прикладывали к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение порядка 210-350 В, затем снова погружали изделие в электролит и вели полирование в течение от 0,8 до 2,5 минут); четвертый этап: напряжение - 210…350 В, время - 0,8…2,5 минут (90…300 сек) (дополнительное условие обработки на четвертом этапе: не вынимая изделие из электролита, отключали электрическое напряжение, затем удаляли изделие из электролита, охлаждали его до температуры окружающей среды (20°C), вновь прикладывали к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение порядка 210-350 В, затем снова погружали изделие в электролит и вели полирование в течение от 0,8 до 2,5 минут). Обработку изделия проводили при величине тока от 0,2 А/дм до 0,5 А/дм, при температуре от 70°C до 90°C. Условия обработки по предлагаемому способу: электрический потенциал (напряжение) от 320 В до 340 В; электролит - 2-7% водный раствор смеси KF и NHF, при их содержании, вес.%: NHF от 16% до 26%, KF - остальное; добавки в электролит - поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF; величина тока от 0,2 А/дм до 0,5 А/дм, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см до 4000 см. Перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов (электрический потенциал от 320 В до 340 В) обрабатывали вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит (обработку вспомогательных элементов вели до стабилизации процесса полирования). Кроме того, исследовались электролиты: от 2% до 7% (1% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (Н.Р.) водный раствор смеси KF и NHF, при их содержании, вес.%: NHF от 16% до 26% (14% - (Н.Р.); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (Н.Р.)), KF - остальное. Исследования электролитов показали аналогичный результат результатов обработки деталей из титановых сплавов. В таблице приведены средние значения шероховатости поверхности R, полученные по способу-прототипу и предлагаемому способу.
Вариант способа
№
Материал
Исходная шероховатость поверхности, R<sub>a</sub> мкм
Шероховатость поверхности (R<sub>a</sub> мкм), после обработки
Средняя величина R<sub>a</sub>, мкм
Разброс значений ΔR<sub>a</sub> мкм
Прототип
1
ВТ-1
0,45…0,50
0,15…0,05
0,10
2
ВТ3-1
0,45…0,50
0,20…0,07
0,13
3
ВТ6
0,45…0,50
0,25…0,06
0,19
4
ВТ8
0,45…0,50
0,22…0,07
0,19
Предлагаемый
5
ВТ-1
0,45…0,50
0,10…0,06
0,04
6
ВТ3-1
0,45…0,50
0,08…0,05
0,03
7
ВТ6
0,45…0,50
0,09…0,06
0,02
8
ВТ8
0,45…0,50
0,09…0,07
0,04
Предлагаемый с добавл. ПАВ
9
ВТ-1
0,45…0,50
0,08…0,05
0,03
10
ВТ3-1
0,45…0,50
0,07…0,05
0,02
11
ВТ6
0,45…0,50
0,08…0,07
0,03
12
ВТ8
0,45…0,50
0,08…0,06
0,02
a
a
a
a
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество обработки изделий из титановых сплавов ВТ-1, ВТ3-1, ВТ6 и ВТ8. Как видно из приведенных в таблице примеров, средние значения шероховатости поверхности для прототипа от R 0,25…0,05 мкм (при величине разброса значений ΔR=0,10 до 0,19 мкм), для предлагаемого способа улучшается до R 0,09…0,05 мкм (при величине разброса значений ΔR=0,04 до 0,02 мкм).
4
4
4
2
2
2
2
Улучшение качества полирования деталей из титана и титановых сплавов по предлагаемому способу во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование электролитно-плазменного полирования детали из титана и титановых сплавов, включающего 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, приложение к обрабатываемой детали электрического потенциала от 320 B до 340 B, использование в качестве электролита 2-7% водного раствора смеси KF и NHF, при их содержании, вес.%: NHF от 16% до 26%, KF - остальное, а также использование следующих вариантов: ведение полирования при величине тока от 0,2 А/дм до 0,5 А/дм, при температуре от 70°C до 90°, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см до 4000 см; использование в качестве детали лопатки турбомашины; дополнительное введение в состав электролита поверхностно-активных веществ в концентрации 0,4-0,8% или 0,3 -0,8% TiF; обработка перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, вспомогательных элементов из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, проведение обработки вспомогательных элементов до стабилизации процесса полирования, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повысить качество обработки и надежность процесса полирования деталей из титана и титановых сплавов, а также снизить его трудоемкость.