УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
INSTALLATION FOR ELECTROLYTIC-PLASMA TREATMENT

Изобретение относится к области электрохимической обработки деталей, в частности к установкам для электролитно-плазменного полирования металлических изделий, преимущественно из хромсодержащих нержавеющих сталей сплавов, а также титана и титановых сплавов, и может быть использована в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, с целью 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 высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (СrМо), хромомолибденованадиевые (CrMoV) и др. средне- и высоколегированные стали (например, для лопаток паровых турбин - стали марок 20Х13 и 15Х11МФ, газовых турбин - стали 20Х13, ЭЙ 961). Эти стали относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием Сr 11-14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: С, Мо, V. Кроме того, 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 сталей и 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. С25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также патент РБ № 1132, кл. С25F 3/16, 1996, БИ № 3].
Известно устройство (а.с. СССР №1039251, МПК С25F 7/00, 04.01.81), содержащее ванну для электролита, рабочий электрод и систему циркуляции электролита, включающую центробежный насос с патрубком для подачи электролита, окно с патрубком для возврата электролита.
Известно также устройство для обработки в электролитной плазме (патент РФ №2009212, МПК С21D 1/44, 03.15.94), содержащее ванну с электролитом и размещенный в ней тест-электрод, источник питания, устройство снабжено имеющим возможность перемещения относительно тест-электрода ферромагнитным стержнем, магнитно-замкнутым с тест-электродом через магнитопровод с двумя катушками индуктивности, и блоком питания, электрически связанным с одной из катушек, а другая катушка электрически связана с источником питания через регистрирующий прибор и обратную связь.
Наиболее близким по технической сущности является выбранное в качестве прототипа установка электролитно-плазменного полирования (патент РФ №2268326, МПК С21D 1/44, 03.15.94), содержащая пневмоцилиндры, подвеску с кассетами, две рабочие ванны, ванну коррекции электролита, помпу для перекачки раствора, колонну, зажимы для крепления изделий, камеру предварительной загрузки, рассеивающий фильтр перекачки раствора, отличающаяся тем, что в ванну коррекции электролита введены электронагреватель, теплообменник и датчик уровня, а корпус рабочей ванны является катодом.
К основным недостаткам известных устройств относится сложность, а в ряде случаев и невозможность обеспечения надежного режима обработки в период запуска процесса, а также стабилизации по температурному режиму. В результате этого значительно возрастает вероятность возникновения дефектов. Указанные дефекты, возникшие на поверхности детали, наследуются в процессе дальнейшей обработки, что приводит к значительной неравномерности обработки детали, ухудшая тем самым ее качество. Это, в частности, связано с тем, что при в период выхода на режим обработки колебания величины подводимой электрической мощности вызывают сильные изменения температурного режима на поверхности детали, что делает процесс крайне нестабильным и повышает вероятность возникновения брака, особенно для процесса полирования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности выбора оптимальных режимов обработки и повышении гибкости процесса за счет возможности раздельного создания и управления параметрами парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней, а также снижения величин рабочих потенциалов между деталью и электролитом, необходимых для запуска процесса и ведения обработки.
Технический результат достигается тем, что в установке электролитно-плазменной обработки, содержащей по крайней мере одну рабочую ванну с электролитом, устройство для крепления обрабатываемых изделий и источник питания для электролитно-плазменной обработки, в отличие от прототипа в рабочей ванне, в зоне обработки изделий расположены индукторы, снабженные по крайней мере одним источником питания для индукционного нагрева деталей.
Технический результат достигается также тем, что установка дополнительно содержит насос для перекачки электролита и ванну коррекции электролита, снабженную теплообменником, причем рабочие ванны и ванна коррекции выполнены с возможностью объединения их объемов и создания общей системы циркуляции электролита; кроме того, дополнительно, в ванну коррекции электролита может быть введен датчик уровня.
Технический результат достигается также тем, что установка может дополнительно содержать рассеивающий фильтр перекачки раствора, а также камеру предварительной загрузки и устройство для загрузки и удаления деталей из электролита.
Технический результат достигается также тем, что установка может дополнительно содержать индукторы, выполненные с возможностью размещения в их полостях обрабатываемых деталей, рабочая ванна являться катодом, а установка иметь блок управления для стабилизации и автоматизации процесса.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана компоновочная схема предлагаемой установки.
Установка электролитно-плазменной обработки содержит рабочую ванну 1, ванну коррекции электролита 2, насос для перекачки электролита 3, кассету 4 с зажимами 5 для обрабатываемых деталей 6. Рабочая ванна имеет крышку 7 с окнами для кассет 4. В рабочей ванне 1 установлено устройство 8 для подачи электролита и индукторы 9 для нагрева поверхности деталей. Ванна коррекции элетролита 2 снабжена теплообменником 10 и датчиком уровня 11. Установка снабжена двумя источниками питания: источником питания для ведения процесса электролитно-плазменной обработки и источником питания для индукционного нагрева, а также блоком управления процессом обработки с панелью управления. В качестве ванн 1 и 2 используют емкости, выполненные из материала, стойкого к воздействию электролита.
Установка электролитно-плазменной обработки работает следующим образом. Обрабатываемые детали 6 устанавливают в кассеты 4, закрепляют при помощи зажимов 5 и опускают в рабочую ванну 1. После этого производят обработку деталей по одной из следующих схем:
- обработка по схеме: «предварительный индукционный нагрев детали и формирование парогазовой оболочки (ПГО) - зажигание плазменного разрада в образованной ПГО - выход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали - осуществление процесса обработки без индукционного нагрева»;
- обработка по схеме: «предварительный индукционный нагрев детали и формирование ПГО - зажигание плазменного разряда в образованной ПГО - выход на режим обработки с постепенным переходом индукционного нагрева детали в режиме поддержки»;
- обработка по схеме: «одновременный индукционный нагрев детали и подача потенциала на деталь как при запуске процесса, так и при его проведении»;
- обработка по схеме: «индукционный нагрев детали токами высокой частоты (ТВЧ), образование ТВЧ-плазмы и обработка только ТВЧ (без подачи потенциала на деталь (от источника питания)»;
- обработка по схеме: «индукционный нагрев детали токами высокой частоты (ТВЧ), образование ТВЧ-плазмы и обработка совместно с ТВЧ-плазмой при совмещении с подачей (положительного или отрицательного) потенциала на деталь от источника питания;
- обработка по схеме: «подача потенциала на деталь - образование ПГО и зажигание в ней разряда» (подобно схеме установки-прототипа).
При использовании приведенных схем обработки в зависимости от целей создаются режимы и условия, позволяющие осуществить, либо - электролитно-плазменное полирование деталей, либо - получение покрытий, либо - закалку деталей, либо их химико-термическую обработку.
При обработке на предлагаемой установке по схеме:
«предварительный индукционный нагрев детали и формирование парогазовой оболочки (ПГО) - зажигание плазменного разряда в образованной ПГО - выход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали - осуществление процесса обработки без индукционного нагрева», производят следующие действия. Обрабатываемую металлическое деталь 6 погружают в ванну 1 с водным раствором электролита, помещают в полость индуктора 6, производят индукционный нагрев детали 6 до формирования вокруг детали парогазовой оболочки, прикладывают к детали 6 положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное (анодная обработка) или прикладывают к детали 6 отрицательное напряжение, а к электролиту - положительное (катодная обработка), за счет чего зажигают плазменный разряд между обрабатываемым изделием и электролитом. Затем осуществляют переход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали до его полного отключения и ведут электролитно-плазменный процесс обработки только за счет подачи потенциала на деталь. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки.
При осуществлении электролитно-плазменной обработки с использованием индукционного нагрева происходят следующие процессы. Под действием индукционных токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при индукционном нагреве детали и, частично, 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.
При катодной поляризации парогазовая оболочка вокруг детали состоит из паров электролита, катионов и газообразного водорода, поэтому наряду с химическим взаимодействием катионов с материалом поверхностного слоя детали, происходит возникновение в парогазовой оболочке микроискровых разрядов, что приводит к электроэрозионному и кавитационному воздействию на обрабатываемую поверхность.
Процесс электролитно-плазменного полирования на предлагаемой установке осуществляется следующим образом. После установки и закрепления в зажимах 5 кассеты 4 обрабатываемых деталей 6 их опускают в рабочую ванну 1. Кассеты 4 подключаются к положительному полюсу источника питания. Кассеты 4 располагаются так, чтобы детали 6 были помещены в полости индукторов 9 (для защиты от непосредственного контакта деталей 6 от индуктора 9 в полости индуктора размещены направляющие, выполненные в виде усеченного перевернутого конуса без днищ). Отрицательный полюс источника питания подключается к контактам, расположенным непосредственно на внешней стороне стенки рабочей ванны 1.
Подача электролита осуществляется через устройство 8. В процессе работы установки электролит циркулирует в общем объеме ванн 1 и 2. В ванне 2 производится коррекция химического состава раствора за счет ввода составляющих, а также для поддержания заданного диапазона температур раствора. Для поддержания рабочего уровня электролита в ванне 2 предусмотрен датчик 11. Насос для перекачки раствора направляет электролит из ванны коррекции 2 в рабочую ванну 1. Для удобства обработки деталей и повышения производительности могут использоваться две, три или четыре рабочие ванны. Блок управления и панель управления предназначены для устанки и поддержания заданных параметров процесса обработки деталей.
a
Пример. Две партии образцов в виде металлических пластин из нержавеющей стали 12Х18Р10Т размерами 50×20×2 мм с исходной шероховатостью R=0,12 мкм, обрабатывались по двух вариантам - по предлагаемому и по прототипу.
По предлагаемому варианту образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и помещая в полость индуктора, производили индукционный нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, затем прикладывали к пластинам положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора соли кислого углекислого натрия. Производилось циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса 45-60°С). По варианту-прототипу использовались аналогичные условия проведения процесса, за исключением индукционного нагрева образцов.
В таблице приведены результаты испытаний образцов из нержавеющей хромоникелевой стали.
№ Варианта
№ п/п
По прототипу
По предлагаемому способу
Концентр. р-ра, мас.%
Разность потенциалов, В
Высота микронеровностей после обработки, R<sub>a</sub>, мкм
Применение
Концентр. р-ра, мас.%
Разность потенциалов, В
Высота микронеровностей после обработки, R<sub>a</sub>, мкм
Применение
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
1
5
20
-
Парогазовая оболочка не образовалась
5
20
0,12
(-)
2
10
20
-
10
20
0,11
(+)
3
15
20
-
15
20
0,12
(-)
4
20
20
-
20
20
0,11
(+)
2
5
5
30
-
Парогазовая оболочка не образовалась
5
30
0,05
(+)
6
10
30
-
10
30
0,05
(+)
7
15
30
-
15
30
0,03
(+)
8
20
30
-
20
30
0,03
(+)
3
9
5
100
-
Процесс неустойчивый
5
100
0,03
(+)
10
10
100
-
10
100
0,02
(+)
11
15
100
-
15
100
0,02
(+)
12
20
100
-
20
100
0,02
(+)
4
13
5
200
0,08
(+)
5
200
0,02
(+)
14
10
200
0,08
(+)
10
200
0,03
(+)
15
15
200
0,06
(+)
15
200
0,03
(+)
16
20
200
0,06
(+)
20
200
0,02
(+)
5
17
5
300
0,06
(+)
5
300
0,03
(+)
18
10
300
0,08
(+)
10
300
0,02
(+)
19
15
300
0,06
(+)
15
300
0,03
(+)
20
20
300
0,04
(+)
20
300
0,04
(+)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6
21
5
400
0,06
(+)
5
400
0,04
(+)
22
10
400
0,06
(+)
10
400
0.04
(+)
23
15
400
0,08
(+)
15
400
0,06
(+)
24
20
400
0,06
(+)
20
400
0,06
(+)
7
25
5
500
-
Оплавление микровыступов
5
500
-
Оплавление микровыступов
26
10
500
-
10
500
-
27
15
500
-
15
500
-
28
20
500
-
20
500
-
Предлагаемая установка, в отличие от прототипа, обеспечивает возможность выбора оптимальных режимов обработки и позволяет повысить гибкости процесса за счет возможности раздельного создания и управления параметрами парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней, а также снижения величин рабочих потенциалов между деталью и электролитом, необходимых для запуска процесса и ведения обработки. За счет этого предлагаемая установка позволяет повысить качество обработки поверхности деталей.