СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF IMPROVEMENT OF OPERATION CHARACTERISTICS OF TURBINE MACHINE BLADES OUT OF ALLOYED STEELS

Изобретение относится к технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей из легированных сталей и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин.
Для изготовления лопаток турбомашин применяются легированные стали, обладающие высокой прочностью, в том числе и при высоких температурах, обеспечивающие одновременно достаточно высокую пластичность. Лопатки турбомашин из легированных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения.
С повышением параметров шероховатости пера лопатки ухудшается газодинамическая устойчивость двигателя, возрастают аэродинамические потери, приводящие к снижению КПД, к потере мощности, росту удельных расходов и к снижению экономичности двигателя или установки. Кроме того, качество обработки поверхности пера лопаток существенно влияет на их прочностные характеристики, так например, повышение класса чистоты поверхности способствует увеличению предела выносливости и статической прочности лопаток (В.Ф. Макаров, Е.Н. Бычина, А.О. Чуян. Математическое моделирование процесса полирования лопаток газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. №8 (85), 2011, с.11-14).
В то же время производство и ремонт лопаток газотурбинных установок и двигателей, в связи с высокими требованиями к качеству поверхности (Ra≤0,32…0,16 мкм), характеризуется значительной трудоемкостью их финишной обработки. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.
Известен способ полирования пера лопаток ГТД лепестковым кругом, при котором лопатке сообщают возвратно-поступательное перемещение относительно инструмента (АС СССР №1732604. МПК B24B 19/14. СПОСОБ ПОЛИРОВАНИЯ ПЕРА ЛОПАТОК ГТД ЛЕПЕСТКОВЫМ КРУГОМ), в котором полирование производят с деформацией лепесткового круга.
Известен также способ обработки, позволяющий полировать криволинейную кромку пера лопаток газовой турбины заправленным по радиусу полировальным кругом, движущимся вдоль пера лопатки (Патент РФ №2379170. МПК B24B 19/14. СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. 2010 г.).
Однако применение в известных способах полирования поверхности пера лопаток механического воздействия на обрабатываемую деталь вызывает ухудшение параметров качества поверхностного слоя материалов, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик лопаток, особенно имеющих небольшие толщины пера.
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. 06.08.1986, 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 B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.1991].
Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности деталей из легированных сталей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования детали 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. Бюл №32, 2009].
Однако известный способ [Патент РФ №2373306], предусматривает обработку деталей из титановых сплавов и не может быть применен для обработки лопаток из легированных сталей.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение таких эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, как усталостная и статическая прочность, сопровождающееся уменьшением шероховатости поверхности пера лопаток, а также повышение функциональных свойств лопаток, обеспечивающих более высокий КПД установки.
Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей и повышения их функциональных свойств за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, включающем полирование поверхности пера лопатки в отличие от прототипа, полирование пера лопатки осуществляют электролитно-плазменным методом, 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, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр, а полирование ведут при температуре от 60°C до 80°C, при этом возможны следующие варианты реализации способа: полирование пера лопатки ведут при величине тока от 0,2 А/дм до 0,8 А/дм; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации, вес. %: от 0,6 до 1,2.
2
2
2
2
Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования поверхности пера лопатки в процессе его изготовления или восстановительного ремонта осуществляется следующим образом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. В качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр, причем полирование ведут при температуре от 60°C до 80°C до получения заданной шероховатости поверхности. Полирование пера, в зависимости от параметров детали (при площади обработки от 1 см до 4000 см) и заданной микрогеометрии поверхности ведут при величине тока от 0,2 А/дм до 0,8 А/дм. Для повышения качества обработки, в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации, вес %: от 0,6 до 1,2%. Полирование поверхности пера лопатки ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита.
При осуществлении способа возникают 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 удаление покрытия с обрабатываемой поверхности деталей. 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. Для минимизации джоуль-ленцовых потерь, электролит должен обладать достаточной электропроводимостью.
Пример. Обрабатываемые образцы лопаток из легированных сталей погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Полирование поверхности пера лопатки производили в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывали электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводили полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшали напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводили окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. Полирование проводили в среде электролита: водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр. Кроме того, в ряде случаев в состав электролита дополнительно вводили добавки поверхностно-активные вещества в концентрации 0,6-1,2%. При обработке проводили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 60°…80°C).
2
2
Условия обработки по предлагаемому способу: электрический потенциал (напряжение), первый этап: от 320 до 350 В (300 В - Неудовлетворительный результат (Н.Р.); 320 В - Удовлетворительный результат (У.Р.); 320 В - У.Р.; 340 В - У.Р.; 350 В - У.Р.; 370 В - Н.Р.); первый этап: (250 В - (Н.Р.); 270 В - (У.Р.); 280 В - У.Р.; 290 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 320 В - Н.Р.). Электролит - водный раствор соли сульфата аммония концентрацией (4 г/литр - Н.Р.; 6 г/литр - У.Р.; 10 г/литр - У.Р.; 12 г/литр - У.Р.; 14 г/литр - Н.Р.; добавки в электролит-поверхностно-активные вещества в концентрации: (0,4% - Н.Р.; 0,6% - У.Р.; 0,8% - У.Р.; 1,2% - У.Р.; 1,4% - Н.Р.); величина тока от 0,2 А/дм до 0,8 А/дм, при температуре от 70°C до 90°C (60°C - Н.Р.; 70°C - У.Р.; 80°C - У.Р.; 90°C - У.Р.; 98°C - Н.Р.).
По сравнению с используемым механическим способом полирования (Патент РФ №2379170) производительность процесса по предлагаемому способу, в среднем, в 3-4 раза, а средние значения шероховатости поверхности от Ra 0,65…0,45 мкм, для предлагаемого способа улучшается до Ra 0,03…0,02 мкм.
2
2
Использование способа повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, включающего следующие признаки: полирование поверхности пера лопатки электролитно-плазменным методом; включающего: погружение детали в электролит; формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки; зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала; полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности; в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр; полирование ведут при температуре от 60°С до 80°С; полирование пера лопатки ведут при величине тока от 0,2 А/дм до 0,8 А/дм; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации, вес %: от 0,6 до 1,2 позволяют достичь поставленного в данном изобретении технического результата - является повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей и повышения их функциональных свойств за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.