СПОСОБ МНОГОЭТАПНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF MULTISTAGE ELECTROLYTE-PLASMA POLISHING OF PRODUCTS MADE OF TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к электрохимическому (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, ВТ14, 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) N 238074 (А1), кл. С25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также Патент РБ N 1132, кл. С25F 3/16, 1996, БИ N 3].
Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ N 1132, кл. С25F 3/16, 1996, БИ N 3], а также способ электрохимического полирования [Патент США N 5028304, кл. В23Н 3/08, С25F 3/16, С25F 5/00, опубл. 02.07.91].
Известные способы электрохимического полирования требуют использования при обработке деталей повышенного электрического напряжения (более 100 В), в то время как традиционные методы электрополирования проходят при достаточно низких напряжениях, что позволяет в ряде случаев достичь более высокого качества обработки деталей [например, патент США №6165345, МПК C25F 5/00, опубл. 26.12.2000 г.]. Использование высокого напряжения приводит к значительной неравномерности обработки детали и не позволяет обеспечить необходимое качество поверхности.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электрохимического полирования металлических изделий, заключающийся в том, что обрабатываемое металлическое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, причем процесс электрохимического полирования осуществляют в два этапа, на первом из которых к обрабатываемому изделию прикладывают электрическое напряжение 90-190 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,1-5 с, а на втором этапе это напряжение увеличивают до 200-400 В и поддерживают постоянным до окончания процесса полирования, при этом обеспечивают беспрерывную подачу электрического напряжения на каждом из этапов электрохимического полирования, включая момент перехода от первого этапа ко второму [Патент РФ №2168565, МПК C25F 3/16. Способ электрохимического полирования металлических изделий; опублик. 2001.06.10].
Хотя этот способ [Патент РФ №2168565, МПК C25F 3/16. Способ электрохимического полирования металлических изделий опублик. 2001.06.10] и позволяет вести обработку деталей на начальном этапе при более низких наряжениях, тем не менее он не направлен на достижение более высокого качества полирования, а имеет цель «обеспечение возможности обработки металлических изделий из более широкого круга материалов, в том числе из титана и его сплавов, циркония и его сплавов, при одновременном уменьшении пиковой мощности используемого источника питания» [Патент РФ №2168565, МПК C25F 3/16. Способ электрохимического полирования металлических изделий; опублик. 2001.06.10]. Поэтому использование двухстадийной обработки деталей, с приведенными в способе-прототипе режимами, не позволяет повысить качество полирования деталей, например, таких как лопатки турбомашин.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества полирования изделий из титана и титановых сплавов за счет использования многоэтапной обработки с изменением режимов воздействия на обрабатываемую поверхность.
Технический результат достигается тем, что в способе многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов, заключающемся в том, что обрабатываемое металлическое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, изменяют на каждом этапе величину электрического напряжения и время выдержки изделия, обеспечивают в течение первого и второго этапов беспрерывную подачу электрического напряжения, включая момент перехода от первого этапа ко второму, в отличие от прототипа процесс электрохимического полирования осуществляют по крайней мере в два этапа, на первом из которых к обрабатываемому изделию прикладывают электрическое напряжение 120-170 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,3-0,8 мин, а на втором этапе это напряжение увеличивают до 210-350 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 1,5-5 минут.
4
4
Технический результат достигается также тем, что в способе многоэтапного электролитно-плазменного полирования осуществляют третий этап полирования изделия, для этого, не вынимая изделие из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют изделие из электролита, охлаждают изделие, вновь прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение 210-350 В, погружают изделие в электролит и ведут полирование в течение 0,8-2,5 минут. Технический результат достигается также тем, что в способе многоэтапного электролитно-плазменного полирования осуществляют четвертый этап полирования изделия, для этого, не вынимая изделие из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют изделие из электролита, охлаждают изделие, вновь прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение 210-350 В, погружают изделие в электролит и ведут полирование в течение 0,8-2,5 минут. Технический результат достигается также тем, что в способе многоэтапного электролитно-плазменного полирования в качестве электролита используют: водный раствор солей, значение рН которого 4-9; водные растворы электролитов, в состав которых входят соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот; используют 2-3% водные растворы NНF; 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 первым этапом полирования в электролите обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.
2
Технический результат достигается также тем, что в способе многоэтапного электролитно-плазменного полирования в качестве изделия используют лопатку турбомашины; обработку лопатки ведут при величине тока не менее 0,5 А/дм.
Сущность заявляемого многоэтапного способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными в таблице примерами.
Заявляемый способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемое изделие из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное, в результате чего - достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электрохимического полирования осуществляют по крайней мере в два этапа, на первом из которых к обрабатываемому изделию прикладывают электрическое напряжение 120-170 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,3-0,8 мин, а на втором этапе напряжение увеличивают до 210-350 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 1,5-5 минут. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. Для повышения качества обработки изделия осуществляют третий этап полирования, для этого, не вынимая изделие из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют изделие из электролита, охлаждают изделие, вновь прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение 210-350 В, погружают изделие в электролит и ведут полирование в течение 0,8-2,5 минут. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. В качестве электролита используется преимущественно водный раствор солей, например, соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот. Величина рН электролита находится в пределах 4-9. Температура электролита - в диапазоне 60-90°С.
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.
Использование многоэтапного (многофазного) полирования изделия из титана или титановых сплавов позволяет значительно повысить качество обработки. В зависимости от конкретных целей и условий обработки, а также материала изделия количество этапов обработки может колебаться от двух до пяти и более.
4
4
2
4
4
-
На первой фазе обработки поверхность изделия покрывается слоем налета из фтористых соединений, например, при использовании электролита в виде водного раствора NHF, слоем TiF, образованного вытеснением кислорода (ТiO+F→TiF). На первой фазе обработки полирования практически не происходит. Длительность первой фазы 0,3-0,8 мин, электрическое напряжение 120-170 В (например, для титанового сплава ВТ-6 напряжение может быть около 160 В, а время - примерно равно 0,5 мин). Если на этом этапе остановить процесс обработки, то деталь будет покрыта налитом коричневого цвета (TiF) легко смываемого даже холодной (20°С) водой.
4
пл.TiF4
На второй фазе обработки напряжение увеличивают до 210-350 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение от 1,5 до 5 минут. (Необходимо отметить, что при переходе от первой ко второй фазе недопустимы провалы напряжения, т.к. это приводит к дестабилизации парогазовой оболочки и непосредственному контакту электролита с поверхностью изделия, что ухудшает качество обработки). За счет увеличения напряжения повышается температура разряда и происходит основной процесс полирования (например, для титанового сплава ВТ-6 напряжение может быть около 200 В, а время - примерно равно 2-3 мин). Поскольку изделие из-за наличия парогазовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF испаряется, т.е. полирование на второй фазе ведется через испарение фторированного слоя (Т=238°С). Вторая фаза обработки позволяет получить достаточно качественную полированную поверхность изделия. Однако, для получения еще более качественных результатов обработки может быть введена вторая и последующий фазы полирования.
Третья (или последующие) фазы обработки. Третий этап полирования изделия осуществляют следующим образом. Не вынимая изделие из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют изделие из электролита, охлаждают изделие, вновь прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение порядка 210-350 В, погружают изделие в электролит и ведут полирование в течение от 0,8 до 2,5 минут (например, для титанового сплава ВТ-6 напряжение может быть около 200 В, а время - примерно равно 2 мин).
-
3
При обработке сложнопрофильных изделий 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, NН). Для минимизации джоуль-ленцовых потерь, электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе электролита необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.
4
4
2
6
Пример. Обработке подвергали образцы из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ3-1, ВТ6. Обрабатываемые образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора, в состав которых входили соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот (NHBF; NaSiF). При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 80°…85°С). В таблице приведены результаты обработки поверхности изделий из титановых сплавов. Условия обработки по способу-прототипу при двухэтапной обработке: первый этап электрическое напряжение - 150…180 В, время - 0,1…0,5 с (0,0016…0,008 мин); второй этап электрическое напряжение - 310…360 В, время - до окончания процесса полирования.
2
Условия обработки по предлагаемому способу, при многоэтапной обработке: первый этап: электрическое напряжение 120…170 В, время - 18…50 с (0,3…0,8 мин); второй этап: напряжение - 210…350 В, время - 1,5…5 минут (90…300 с); третий этап: напряжение - 210…350 В, время - 0,8…2,5 минут (90…300 с), (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°С), 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 с), (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°С), 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 не менее 0,5 А/дм.
a
В таблице приведены средние значения шероховатости поверхности R, полученные по способу-прототипу и предлагаемому способу.
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа многоэтапного электролитно-плазменного полирования позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество обработки изделий из титановых сплавов ВТ-1, ВТ3-1 и ВТ6. Как видно из приведенных в таблице примеров, средние значения шероховатости поверхности от Ra 0,30…0,35 мкм (для прототипа) улучшается до Ra 0,05…0,06 мкм (для предлагаемого способа). Кроме того, при применении ПАВ улучшается равномерность обработки, особенно для сложнопрофильных деталей, что подтверждает заявленный технический результат.
4
4
2
Улучшение качества полирования изделий из титана и титановых сплавов по предлагаемому способу, во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий, заключающегося в том, что обрабатываемое металлическое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, изменяют на каждом этапе величину электрического напряжения и время выдержки изделия, обеспечивают в течение первого и второго этапов беспрерывную подачу электрического напряжения, включая момент перехода от первого этапа ко второму, причем на первом из этапов к обрабатываемому изделию прикладывают электрическое напряжение 120-170 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,3-0,8 мин, а на втором этапе это напряжение увеличивают до 210-350 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 1,5-5 минут, затем осуществляют третий (и при необходимости повышения качества полирования, четвертый и последующие) этапы полирования изделия, для этого, не вынимая изделие из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют изделие из электролита, охлаждают изделие, вновь прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение 210-350 В, погружают изделие в электролит и ведут полирование в течение 0,8-2,5 минут, при этом в качестве электролита используют водные растворы солей, значение рН которого 4-9, в состав электролитов которых входят соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот, используют 2-3% водные растворы NHF, в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% и дополнительно вводят 0,3-0,8% TiF, а перед первым этапом полирования в электролите обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования, в качестве изделия используют лопатку турбомашины, а обработку лопатки ведут при величине тока не менее 0,5 А/дм, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повысить качество полирования изделий из титана и титановых сплавов за счет использования многоэтапной обработки с изменением режимов воздействия на обрабатываемую поверхность.