Патент на изобретение №2357019
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
(57) Реферат:
Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ включает погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, при этом деталь помещают в полость индуктора, а парогазовую оболочку формируют индукционным нагревом детали. Технический результат: 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 гибкости процесса за счет раздельного создания парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней, а также снижения величин рабочих потенциалов между деталью и электролитом, необходимых для проведения процесса обработки. 34 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к электрохимическому (электролитно-плазменному) 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 (ГГУ), 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, ЭИ 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) N 238074 (А1), кл. C25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также Патент РБ N 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ N 3]. Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ N1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ N3], а также способ электрохимического полирования [Патент США N 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 обработке 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 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 N1441991, 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 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 гибкости процесса за счет раздельного создания парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней, а также снижения величин рабочих потенциалов между деталью и электролитом, необходимых для проведения процесса обработки. 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 разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, в отличие от прототипа деталь помещают в полость индуктора, а парогазовую оболочку формируют индукционным нагревом детали, при этом, как вариант, вначале формируют парогазовую оболочку, а затем подают на деталь электрический потенциал, при этом потенциал может быть как положительный, так и отрицательный. Технический результат достигается также тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, в частности хромистые и хромоникелевые сплавы и стали, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08 Технический результат достигается также тем, что в способе электролитно-плазменной обработки детали в качестве электролита используют: водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8 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 Орто-фосфорная кислота – 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена – 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата – 0,01-0,05 Вода – Остальное или водный растворы солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов, или соли низших карбоновых кислот, или 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.%: (NH4)2SO4 – 5 Трилон Б – 0,8; или электролит состава, мас.%: (NH4)3PO4 – 5 Н3PO4 – 0,5 Тартрат К – 0,5 или используют водные растворы солей натрия, причем, как вариант, в качестве водного раствора солей натрия используют 3-22%-й раствор кислого углекислого натрия; или используют водные растворы хлористый аммоний, хлористый натрий; или используют водные растворы солей аммония, причем, как вариант, в качестве соли аммония используют аммоний лимонно-кислый одно- или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: Аммоний лимонно-кислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси – 2-18 Вода – Остальное или водные растворы солей со значением рН 4 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 Ra=0,08 Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются примерами, характеристики которых представлены в таблицах 1-3. Заявляемый способ электрохимического полирования металлических изделий осуществляется следующим образом. Обрабатываемое металлическое изделие погружают в ванну с водным раствором электролита, помещают в полость индуктора, производят индукционный нагрев детали до формирования вокруг детали парогазовой оболочки, прикладывают к изделию положительное напряжение, а к электролиту – отрицательное (анодная обработка) или прикладывают к изделию отрицательное – напряжение, а к электролиту – положительное (катодная обработка), в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействияю электролита. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. При осуществлении способа 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. Пример 1. Обрабатываемые металлические пластины из нержавеющей стали 12Х18Р10Т 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 (пищевой соды). Производилось циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса 45-60°С). Обработке подвергали образцы-пластины размерами 50×20×2 мм. В таблице 1 приведены результаты испытаний образцов из нержавеющей хромоникелевой стали, осуществленных по первому варианту.
Пример 2. Обрабатываемую лопатку турбомашины из хромистой стали марки 20Х13, погружали в ванну с водным раствором электролита в полость индуктора, производили индукционный нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, а затем прикладывали к детали положительное напряжение, а к электролиту – отрицательное. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора сульфата аммония концентрацией 0,8
Кроме того, была проведена анодная обработка сталей марок 15Х11МФ, ЭИ 961, П-718 (показавшая аналогичные, приведенные в таблицах 1 и 2, результаты) в электролитах составов, мас.%: 1. (NH4)2SO4 – 5; Трилон Б – 0,8. 2. Содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%: Серная кислота – 10-30 Орто-фосфорная 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%-й раствор кислого углекислого натрия). 6. Водные растворы хлористый аммоний, хлористый натрий. 7. Водные растворы солей аммония (аммоний лимонно-кислый одно- или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: Аммоний лимонно-кислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси – 2-18 Вода – Остальное). Пример 3. Обработке подвергали образцы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и стали ЭИ-961 размерами 50×20×2 мм с нанесенными ионно-плазменными покрытиями (нитрид титана), толщиной 8-11 мкм, с целью удаления последних с поверхности деталей. Процесс удаления покрытия проводили в в 5%-ном водном растворе сульфата аммония, при средней температуре 60-70°С. Образцы погружали в ванну с водным раствором электролита, помещая в полость индуктора, производили индукционный нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, а затем прикладывали к детали отрицательное напряжение, а к электролиту – положительное. Время полного удаления покрытия составило приблизительно 16 минут. Пример 4. Обработке подвергали образцы из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ-5, ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Обрабатываемые образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и, помещая в полость индуктора, производили индукционный нагрев до образования вокруг детали парогазовой оболочки, а затем 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 (NH4BF4; Na2SiF6). При обработке, также как и в предыдущих случаях, производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 50°
Формула изобретения
1. Способ электролитно-плазменной обработки детали, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала, отличающийся тем, что погруженную в электролит деталь помещают в полость индуктора, а парогазовую оболочку вокруг детали формируют индукционным нагревом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале формируют парогазовую оболочку, а затем подают на деталь электрический потенциал. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на деталь подают положительный потенциал. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что на деталь подают положительный потенциал. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на деталь подают отрицательный потенциал. 6. Способ по п.2, отличающийся тем, что на деталь подают отрицательный потенциал. 7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 8. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 9. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 10. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют нержавеющие стали и сплавы, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 11. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины. 12. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что в качестве нержавеющей стали и сплава используют хромистые и хромоникелевые стали и сплавы, а в качестве детали используют лопатку турбомашины. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что обработку лопатки ведут при рабочем напряжении 18-490 В. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что обрабатывают только перо лопатки. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8-3,4%. 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор, содержащий серную и ортофосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
17. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов или солей низших карбоновых кислот, а также растворы свободных кислот. 18. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют электролит, содержащий аммонийную соль неорганической кислоты, аммонийные соли низших карбоновых кислот и органические или неорганические вещества, образующие с металлами сплава комплексные соединения. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют электролит состава, мас.%:
20. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют электролит состава, мас.%:
21. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор соли натрия. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что в качестве водного раствора соли натрия используют 3-22% раствор кислого углекислого натрия. 23. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор хлористого аммония, хлористого натрия. 24. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор соли аммония. 25. Способ по п.24, отличающийся тем, что в качестве соли аммония используют аммоний лимонно-кислый одно- или двух-, или трехзамещенный, или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%: аммоний лимонно-кислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смесь 2-18; вода остальное. 26. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор солей со значением рН 4-9. 27. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют титан и титановый сплав, цирконий и циркониевый сплав, а обработку детали ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 28. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют титан и титановый сплав, цирконий и циркониевый сплав, а обработку детали ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 29. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют титан и титановый сплав, цирконий и циркониевый сплав, а обработку детали ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 30. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве материала детали используют титан и титановый сплав, цирконий и циркониевый сплав, а обработку ведут полированием до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,08-0,12 мкм. 31. Способ по любому из пп.27-30, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины. 32. Способ по п.31, отличающийся тем, что обработку лопатки ведут при рабочем напряжении 18-520 В. 33. Способ по п.31, отличающийся тем, что обрабатывают только перо лопатки. 34. Способ по п.32, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор солей со значением рН 4-9. 35. Способ по п.32, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор электролита, в состав которого входят соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
0,12 мкм, а в качестве детали, как вариант, используют лопатку турбомашины, а обработку лопатки, в частности только пера лопатки, ведут при рабочем напряжении 18