способ полирования деталей из титановых сплавов

Формула изобретения

1. Способ полирования деталей из титановых сплавов, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем приложения к обрабатываемой детали электрического потенциала, отличающийся тем, что обрабатывают деталь, выполненную из титанового сплава, не содержащего ванадий, путем приложения электрического потенциала от 340 до 360 В в качестве электролита используют водный раствор смеси NH₄ Fи KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, а полирование ведут при температуре от 75 до 85°C в течение не менее 1,5 минут.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полирование ведут при величине тока от 0,2 до 0,5 А/дм².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемой детали используют лопатку турбомашины.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемой детали используют лопатку турбомашины.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатывают деталь, выполненную из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0 до 7,0; Mo - от 2,0 до 4,0; Zr - до 0,5; Si - от 0,15 до 0,40; Fe - до 0,3; O - до 0,15; H - до 0,015; N - до 0,05; C - до 0,1; Ti - остальное.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что обрабатывают деталь, выполненную из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0 до 7,0; Mo - от 2,0 до 4,0; Zr - до 0,5; Si - от 0,15 до 0,40; Fe - до 0,3; O - до 0,15; H - до 0,015; N - до 0,05; C - до 0,1; Ti - остальное.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что обрабатывают лопатку, выполненную из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0 до 7,0; Mo - от 2,0 до 4,0; Zr - до 0,5; Si - от 0,15 до 0,40; Fe - до 0,3; O - до 0,15; Н - до 0,015; N - до 0,05; C - до 0,1; Ti - остальное.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют лопатку, выполненную из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0 до 7,0; Mo - от 2,0 до 4,0; Zr - до 0,5; Si - от 0,15 до 0,40; Fe - до 0,3; O - до 0,15; H - до 0,015; N - до 0,05; C - до 0,1; Ti - остальное.

9. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что используют обрабатываемую деталь, выполненную из титанового сплава, с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra 0,50 мкм.

10. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что используют лопатку с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra 0,50 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам полирования деталей из титановых сплавов, основанных на использовании электролитно-плазменной обработки и может быть использовано в турбомашиностроении при полировании 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.

Для изготовления лопаток турбомашин применяются титановые сплавы, которые по сравнению со стальными лопатками обладают более высокой прочностью, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Однако лопатки турбомашин из титановых 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 (A1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86, а также Патент РБ № 1132, МПК C25 F 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. 02.07.91].

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности деталей из титановых сплавов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования детали из титановых 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] является многостадийным, что приводит с одной стороны к возрастанию сложности процесса обработки деталей, снижению качества и надежности процесса обработки из-за необходимости обеспечения большего количества параметров процесса и их соотношений, а также к повышению его трудоемкости.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества обработки и надежность процесса полирования деталей из титановых сплавов, а также снижения его трудоемкости за счет использования одноэтапной обработки деталей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе полирования деталей из титановых сплавов, 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, в отличие от прототипа, используют деталь из титанового сплава, не содержащего ванадий, к обрабатываемой детали прикладывают электрический потенциал от 340 В до 360 В, а в качестве электролита используют водный раствор смеси NH ₄F и KF при их следующем содержании: NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л, а полирование ведут при температуре от 75°C до 85°C в течение не менее 1,5 минут, при этом возможно использование следующих вариантов: полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², в качестве деталей используют лопатку турбомашины; используют детали, в частности лопатки, выполненные из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0% до 7,0%; Mo - от 2,0% до 4,0%; Zr - до 0,5%; Si - от 0,15% до 0,40; Fe - до 0,3%; O - до 0,15%; H - до 0,015%; N - до 0,05%; C - до 0,1%; Ti - остальное, используют детали, в частности лопатки, с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra=0,50 мкм.

Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными ниже примерами.

Заявляемый способ полирования деталей из титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к обрабатываемой детали положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 340 В до 360 В, а в качестве электролита используют водный раствор смеси NH ₄F и KF при их содержании: NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л. Полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², при температуре от 75°C до 85°C, в течение не менее 1,5 минут. Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины. При этом могут использоваться детали, в частности лопатки турбомашин, выполненные из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0% до 7,0%; Mo - от 2,0% до 4,0%; Zr - до 0,5%; Si - от 0,15% до 0,40; Fe - до 0,3%; O - до 0,15%; H - до 0,015%; N - до 0,05%; C - до 0,1%; Ti - остальное.

Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pH электролита находится в пределах 4-9.

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 собой 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 обработке в электролите водного раствора смеси KF и NH₄F, при их содержании NH ₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO₂ +F^- TiF₄). При напряжении от 340 В до 360 В температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия парогазовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF₄ испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (T_пл.TiF4=238°C).

Концентрация основных компонентов электролита является величиной достаточно варьируемой, в пределах NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л. 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^-, NH₃). Для минимизации джоуль-ленцевых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита водного раствора смеси KF и NH₄F, необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.

Пример. Обработке подвергали детали из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ3-1, ВТ9, ВТ8. Обрабатываемые образцы погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Детали обрабатывались в среде электролитов на основе водного раствора смеси NH₄F и KF при их содержании: NH ₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л. При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 75 85°C). В таблице приведены результаты обработки поверхности изделий из титановых сплавов.

Условия обработки по способу-прототипу 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°C), 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°C), 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 от 0,2 А/дм ² до 0,5 А/дм², при температуре от 70°C до 90°C.

Условия обработки по предлагаемому способу: электрический потенциал (напряжение) от 340 В до 360 В; электролит - водный раствор смеси KF и NH₄F при их содержании: NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л; величина тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², при температуре от 75°C до 85°C в течение не менее 1,5 минут.

Кроме того, были проведены исследования следующих режимов обработки деталей из титановых сплава, не содержащих ванадия (ВТ-1, ВТ3-1, ВТ9, ВТ8. Электрический потенциал: 335 В неудовлетворительный результат (Н.Р.); 340 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 345 В - (У.Р.); 350 В - (У.Р.); 355 В - (У.Р.); 360 В - (У.Р.); 365 В - (Н.Р.). Температура процесса: 70°C - (Н.Р.); 75°C - (У.Р.); 80°C - (У.Р.); 85°C - (У.Р.); 90°C - (Н.Р.). Время обработки: 1,0 мин - (Н.Р.); 1,2 мин - (Н.Р.); 1,5 мин - (У.Р.); 2,0 мин - (У.Р.); 6,0 мин - (У.Р.); 10 мин - (У.Р.); 20 мин - (У.Р.). Электролит - на основе водного раствора смеси NH₄F и KF, при их содержании: NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л. Электролиты: NH₄F - от 5 г/л.

В таблице приведены средние значения шероховатости поверхности R_a, полученные по способу-прототипу и предлагаемому способу.

Таблица
Вари ант спосо ба	№	Материал	Исходная шероховатость поверхности, Ra мкм	Шероховатость поверхности (Ra мкм), после обработки
				Средняя величина, мкм	Разброс значений Ra, мкм
Прото тип	1.	ВТ-1	0,45 0,50	0,17 0,06	0,11
	2.	ВТ3-1	0,45 0,50	0,19 0,05	0,14
	3.	ВТ9	0,45 0,50	0,20 0,07	0,13
	4.	ВТ8	0,45 0,50	0,21 0,06	0,15
Пред лага емый	5.	ВТ-1	0,45 0,50	0,06 0,04	0,02
	6.	ВТ3-1	0,45 0,50	0,04 0,03	0,01
	7.	ВТ9	0,45 0,50	0,03 0,02	0,01
	8.	ВТ8	0,45 0,50	0,04 0,02	0,02

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа полирования деталей из титановых сплавов позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество обработки изделий из титановых сплавов ВТ-1, ВТ3-1 ВТ9 и ВТ8. Как видно из приведенных в таблице примеров, средние значения шероховатости поверхности для прототипа от Ra 0,21 0,05 мкм (при величине разброса значений Ra=0,11 до 0,15 мкм), для предлагаемого способа улучшается до Ra 0,06 0,02 мкм (при величине разброса значений Ra=0,02 до 0,01 мкм).

Улучшение качества полирования деталей из титановых сплавов по предлагаемому способу, во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование способа полирования детали из титановых сплавов, включающего 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, использование обрабатываемой детали из титанового сплава, не содержащего ванадий, приложение к обрабатываемой детали электрического потенциала от 340 В до 360 В, использование в качестве электролита водного раствора смеси NH₄F и KF при их содержании: NH₄F - от 5 г/л до 15 г/л, KF - от 30 г/л до 50 г/л, ведение полирования при температуре от 75°C до 85°C в течение не менее 1,5 минут, при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм ², использование в качестве обрабатываемой детали лопатки турбомашины, использование обрабатываемой детали, в частности лопатки турбомашины, выполненной из титанового сплава, содержащего, вес.%: Al - от 5,0% до 7,0%; Mo - от 2,0% до 4,0%; Zr - до 0,5%; Si - от 0,15% до 0,40; Fe - до 0,3%; O - до 0,15%; H - до 0,015%; N - до 0,05%; C - до 0,1%; Ti - остальное, использование обрабатываемой детали, в частности лопатки турбомашины, выполненной с шероховатостью исходной полируемой поверхностью не более Ra 0,50 мкм, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повысить качество обработки и надежность процесса полирования деталей из титановых сплавов, а также снизить его трудоемкость.