СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF ELECTROLYTE-PLASMA TREATMENT OF DETAILS

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке, в частности полированию, металлических изделий, преимущественно из хромсодержащих нержавеющих сталей сплавов, а также 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 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 (CrMo), 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 Cr 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. 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. В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].
Однако известные способы ЭПП имеют значительную энергоемкость процесса, поскольку требуют использования при обрабатки деталей повышенного электрического напряжения (более 100 В). Кроме высокой энергоемкости процесса и возникновения проблем с устойчивостью парогазовой оболочки, эти способы ограничены только диапазоном повышенного напряжения, 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.]. Последнее связано с высокой активностью процесса обработки, что приводит к значительной неравномерности обработки детали и не позволяет обеспечить необходимое качество поверхности.
Известен также способ очистки поверхности изделия, заключающийся в зажигании разряда между обрабатываемым изделием и жидким электродом, когда на обрабатываемое изделие подают положительный потенциал, устанавливают зазор между электродами 1,0-1,5 мм, поддерживают разрядный ток от 0,15 до 7,0 А при разрядном напряжении U от 100 до 500 В соответственно (Патент РФ №1441991, 07.06.93). Недостаток известного способа очистки поверхности изделия заключается в том, что он позволяет обрабатывать лишь торец изделия, причем только с простой конфигурацией в виде плоскости.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ очистки поверхности изделия, включающий зажигание разряда между обрабатываемым изделием и электролитом путем подачи на изделие положительного потенциала, причем изделие размещают на расстоянии 0-2 мм от поверхности электролита, а разрядный ток между изделием и электролитом поддерживают в пределах 0,1-7,0 А при разрядном напряжении 500-20 В [Патент РФ №2111284, МПК C23G 5/00, опублик. 1998.05.20]. Несмотря на то, что этот способ позволяет вести обработку деталей при более низких наряжениях, тем не менее он не может быть использован для обработки деталей, имеющих сложную конфигурацию, например таких деталей, как лопатки турбомашин. Это связано с тем, что известный способ предусматривает обеспечение равномерного зазора между поверхностью электролита и деталью, что невозможно осуществить для неплоских деталей. Кроме того, этот способ, а также вышеперечисленные аналоги могут работать только в условиях разности потенциалов между электролитом и обрабатываемой деталью, что усложняет обрудование и ставит ограничения для протекания процессов обработки, т.е. снижает функциональные возможности способов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности обработки металлических изделий из более широкого круга материалов, в том числе из хромистых и хромоникелевых сплавов и сталей, а также титана и его сплавов, циркония и его сплавов при повышении функциональных возможностей способа за счет создания парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней токами высокой частоты при одновременном упрощении используемого оборудования.
a
Технический результат достигается тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали, включающем погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание плазменного разряда в парогазовой оболочке в отличие от прототипа, парогазовую оболочку и плазменный разряд формируют токами высокой частоты при помощи индуктора, при этом, как вариант, к индуктору подводят напряжение в диапазоне частот, соответствующем области, частично прозрачной для высокочастотного поля плазмы, в пределах которого возникает и поддерживается высокочастотный плазменный разряд на обрабатываемой поверхности детали; в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, в частности хромистые и хромоникелевые сплавы и стали, обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже R=0,08…0,12 мкм в диапазоне частот от 0,1 до 20 МГц, а в качестве детали используют лопатку турбомашины. Технический результат достигается также тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали в качестве электролитов используют или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4%; или водный раствор, содержащий серную и ортофосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Серная кислота
10-30
Ортофосфорная кислота
40-80
Блок-сополимер окисей этилена и пропилена
0,05-1,1
Натриевая соль сульфированного бутилолеата
0,01-0,05
Вода
Остальное
или водные растворы солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов, или соли низших карбоновых кислот, а также растворы свободных кислот; или электролит, содержащий аммонийную соль неорганической кислоты, аммонийные соли низших карбоновых кислот и органические или неорганические вещества, образующие с металлами сплава комплексные соединения; или электролит состава, мас.%:
(NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
5
Трилон Б
0,8
или электролит состава, мас.%:
(NH<sub>4</sub>)<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
5
Н<sub>3</sub>РО<sub>4</sub>
0,5
Тартрат К
0,5
или в качестве электролита используют водные растворы солей натрия, а, как вариант, в качестве водного раствора солей натрия используют 3-22%-ный раствор кислого углекислого натрия; или в качестве электролита используют водные растворы: хлористый аммоний, хлористый натрий; или используют водные растворы солей аммония, а, как вариант, в качестве соли аммония используют аммоний лимоннокислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аммоний лимоннокислый одно-, или двух-,
или трехзамещенный, или их смеси
2-18
Вода
Остальное
или в качестве электролита используют водные растворы солей со значением рН 4…9.
a
Технический результат достигается также тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали в качестве материала детали используют титан и титановые сплавы, цирконий и циркониевые сплавы, а обработку детали ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже R=0,08…0,12 мкм; как вариант, в качестве детали используют лопатку турбомашины, а обработку ведут в диапазоне частот от 0,1 до 20 МГц, а в качестве электролита используют водные растворы солей со значением рН 4…9, как вариант, используют водные растворы электролитов, в состав которых входят соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот.
Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются примерами, характеристики которых представлены в таблицах 1-3.
Заявляемый способ электрохимической обработки металлических изделий осуществляется следующим образом. Обрабатываемое металлическое изделие погружают в ванну с водным раствором электролита, помещают в область воздействия токов высокой частоты (ТВЧ-индуктора), производят высокочастотный нагрев детали, при котором формируется вначале парогазовая, а затем пароплазменная оболочка. При этом в зависимости от целей обработки возможны следующие режимы: при низкочастотной обработке (порядка 0,1-0,3 МГц) происходит преимущественный процесс нагрева поверхности детали и частично электролита. Данный режим рационально использовать главным образом как подготовительный режим, поскольку он формирует парогазовую оболочку. Однако и при этом режиме происходит термохимическое воздействие на поверхность, определяемое температурой поверхности и свойствами электролита.
При повышении частоты до 1 МГц и выше (1-20 МГц) начинают развиваться процессы высокочастотного плазменного разряда. Интенсивность процессов в связи с возникновением плазменного разряда усиливается и в зависимости от конкретных параметров (условий) процесса возникают эффекты очистки, полирования или формирования покрытия. Целесообразно, для стабилицации условий обработки поверхности детали создавать в рабочей области условия интенсивного обновления электролита (например, помещая деталь в поток электролита).
В общем случае обработки используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействияю электролита. В качестве материала ванны могут использоваться как металлы, так и неметаллы. При малых объемах ванн, реализующих схему обработки в проточном электролите, целесообразнее изготавливать ванну из диэлетрических материалов (для предотвращения ее нагрева). В виду протекания процессов, приводящих к повышению температуры электролита, необходимо предусматривать систему охлаждения, позволяющую поддерживать для конкретных условий обработки оптимальную температуру.
При осуществлении способа происходят следующие процессы. Под действием токов высокой частоты происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали и, частично, электролита отводится через систему охлаждения, при этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием высокочастотной плазмы в парогазовой оболочке вокруг обрабатываемой зоны детали происходит протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки. При протекании этих реакций по режимам, направленным, например, на полирование поверхности детали, происходят процессы травления выступов микронеровностей. Причем процессы обработки поверхности могут вестись как за счет термомеханического разрушения пленки хрупких окислов, так и за за счет высокоэнергетических электрофизических процессов, протекающих непосредственно на поверхности детали.
a
Пример 1. Обрабатываемые металлические пластины из нержавеющей стали 12Х18Р10Т погружали в ванну с водным раствором электролита и, помещая в полость индуктора, производили высокочастотный (0,1 МГц) нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, затем производили изменение частоты в диапазоне От 1 до 20 МГц. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора соли кислого углекислого натрия (пищевой соды). Производилось циркуляционное охлаждение электролита. Обработке подвергали образцы-пластины размерами 50×20×2 мм. Исходная высота микронеровностей R=0,12 мкм. В таблице 1 приведены результаты испытаний образцов из нержавеющей хромоникелевой стали, осуществленных по первому варианту (знаком «+», отмечены случаи улучшения шероховатости поверхности, а знаком «-» - случаи ухудшения шероховатости).
Таблица 1
№
Материал
Концентрация, мас.%
Частота, МГц
Высота микронеровностей после обработки, R<sub>a</sub>, мкм
Примечание
1
2
3
4
6
1
12X18P10T
5
0,05
0,14
Ухудшение касса чистоты поверхности (-)
2
10
0,15
3
15
0,12
4
20
0,11
5
12X18P10T
5
0,10
0,04
(+)
6
10
0,04
(+)
7
15
0,03
(+)
8
20
0,03
(+)
9
12X18P10T
5
1
0,03
(+)
10
10
0,03
(+)
11
15
0,03
(+)
12
20
0,04
(+)
13
12X18P10T
5
5
0,02
(+)
14
10
0,03
(+)
15
15
0,02
(+)
16
20
0,02
(+)
17
12X18P10T
5
10
0,03
(+)
18
10
0,03
(+)
19
15
0,03
(+)
20
20
0,04
(+)
21
12X18P10T
5
15
0,03
(+)
22
10
0,05
(+)
23
15
0,04
(+)
24
20
0,05
(+)
1
2
3
4
5
6
21
12X18P10T
5
20
0,04
(+)
22
10
0,06
(+)
23
15
0,06
(+)
24
20
0,07
(+)
25
12X18P10T
5
25
-
Оплавление поверхности(-)
26
10
27
15
28
20
a
Пример 2. Обрабатываемую лопатку турбомашины из хромистой стали марки 20Х13 погружали в ванну с водным раствором электролита и производили высокочастотный (0,1 МГц) нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, затем производили изменение частоты в диапазоне От 1 до 20 МГц. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора сульфата аммония концентрацией 0,8…3,4%. Производилось циркуляционное охлаждения электролита. Исходная высота микронеровностей R=0,12 мкм. В таблице 2 приведены результаты обработки поверхности пера лопаток.
Таблица 2
№
Материал
Концентрация, мас.%
Частота, МГц
Высота микронеровностей после обработки R<sub>а</sub>, мкм
Примечание
1
2
3
4
6
1
20Х13
0,7
0,05
0,16
Ухудшение класса чистоты поверхности (-)
2
0,8
0,18
3
1,5
0,14
4
2,0
0,16
5
2,5
0,18
6
3,0
0,18
7
3,4
0,16
8
3,7
0,18
1
2
3
4
6
9
20Х13
0,7
1,0
0,14
(-)
10
0,8
0,07
(+)
11
1,5
0,06
(+)
12
2,0
0,06
(+)
13
2,5
0,06
(+)
14
3,0
0,04
(+)
15
3,4
0,04
(+)
16
3,7
0,12
(-)
17
20Х13
0,7
5,0
0,12
(-)
18
0,8
0,06
(+)
19
1,5
0,07
(+)
20
2,0
0,06
(+)
21
2,5
0,04
(+)
22
3,0
0,04
(+)
23
3,4
0,06
(+)
24
3,7
0,11
(-)
21
20Х13
0,7
10
0,14
(-)
22
0,8
0,07
(+)
23
1,5
0,06
(+)
24
2,0
0,03
(+)
21
2,5
0,04
(+)
21
3,0
0,04
(+)
22
3,4
0,06
(+)
23
3,7
0,10
(+)
21
20Х13
0,7
20
0,12
(-)
22
0,8
0,08
(+)
23
1,5
0,08
(+)
24
2,0
0,05
(+)
21
2,5
0,03
(+)
21
3,0
0,05
(+)
22
3,4
0,07
(+)
23
3,7
0,09
(+)
1
2
3
4
6
24
20Х13
0,7
25
-
Оплавление (-)
25
0,8
26
1,5
27
2,0
28
2,5
29
3,0
30
3,4
31
3,7
Кроме того, была проведена высокочастотная (ТВЧ) электролитно-плазменная обработка сталей марок 15Х11МФ, ЭИ 961, ЭП-718 (показавшая аналогичные приведенным в таблицах 1 и 2 результаты) в электролитах составов, мас.%:
4
2
4
1. (NH)SO - 5; Трилон Б - 0,8.
2. Содержащий серную и ортофосфорную кислоты блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Серная кислота - 10-30
Ортофосфорная кислота - 40-80
Блок-сополимер окисей этилена и пропилена - 0,05-1,1
Натриевая соль сульфированного бутилолеата - 0,01-0,05
Вода - Остальное
3. Водные растворы солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов или соли низших карбоновых кислот, а также растворы свободных кислот.
4. Электролит, содержащий аммонийную соль неорганической кислоты, аммонийные соли низших карбоновых кислот и органические или неорганические вещества, образующие с металлами сплава комплексные соединения.
5. Водные растворы солей натрия (3-22%-ный раствор кислого углекислого натрия).
6. Водные растворы: хлористый аммоний, хлористый натрий.
7. Водные растворы солей аммония (аммоний лимоннокислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аммоний лимоннокислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси - 2-18
Вода - Остальное
4
4
2
6
a
Пример 3. Обработке подвергали образцы из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ6, ВТ3-1, ВТ22. Обрабатываемые образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и производили высокочастотный (0,1 МГц) нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, затем производили изменение частоты в диапазоне от 1 до 20 МГц. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора, в состав которого входили соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот (NHBF; NaSiF). При обработке, так же как и в предыдущих случаях, производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 60…70°С). Исходная высота микронеровностей R=0,12 мкм. В таблице 3 приведены результаты обработки поверхности пера лопаток (на примере титанового сплава ВТ6).
Таблица 3
№
Материал
Концентрация, мас.%
Частота, МГц
Высота микронеровностей после обработки R<sub>а</sub>, мкм
Примечание
1
2
3
4
6
1
ВТ6
2,0
0,05
0,16
Ухудшение класса чистоты поверхности (-)
2
1,0
0,07
(+)
3
5,0
0,06
(+)
4
10
0,06
(+)
5
12
0,06
(+)
6
14
0,04
(+)
7
20
0,08
(+)
8
25
(-)