Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов

Классы МПК:C25F3/16 полирование
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Вакууммаш" (RU),
Таминдаров Дамир Рамилевич (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-04-25
публикация патента:

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ включает погружение детали в электролит, формирование вокруг детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на деталь электрического потенциала от 320 В до 340 В, при этом в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси NH4 F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес.%, KF - остальное. Технический результат - снижение шероховатости поверхности деталей и трудоемкости полирования. 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий, преимущественно из 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 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.

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 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, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.)

Однако лопатки турбин из указанных 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. B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности детелей из титана и титановых сплавов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является способ электролитно-плазменного полирования детали из титана или 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. СПОСОБ МНОГОЭТАПНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. Бюл № 32, 2009].

Однако известный способ [патент РФ № 2373306, МПК C25F 3/16] 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 титана и титановых сплавов, а также снижения его трудоемкости за счет использования одноэтапной обработки деталей.

Поставленная задача решается тем, что в способе электролитно-плазменного полирования деталей из титана и 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 к обрабатываемой детали прикладывают электрический потенциал от 320 B до 340 B, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес.%: NH4 F от 16% до 26%, KF - остальное, при этом возможно использование следующих вариантов: полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см2 до 4000 см2; в качестве детали используют лопатку турбомашины; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8%; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8% TiF4 ; перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.

Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представлеными в таблице примерами.

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию 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 320 B до 340 B, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес.%: 80% KF и 20% NH4F. Полирование, в зависимости от параметров детали (при площади полирования от 1 см2 до 4000 см2 ) и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут. Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4. Перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.

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. Температура электролита - в диапазоне 70-90°C.

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 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 обработке в электролите 2-7% водного раствора смеси KF и NH4F при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO2+F- способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 TiF4). При напряжении от 320 B до 340 B температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия паро-газовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF4 испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (Тпл.TiF4=238°C).

При обработке сложнопрофильных деталей из титана и титановых сплавов (например, лопаток турбомашин) целесообразно введение в состав электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ). 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. Концентрация основных компонентов электролита является величиной достаточно варьируемой. 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-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита из диапазона от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NH4 F (при вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное), а также дополнительных добавок (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4), необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.

Пример. Обработке подвергали детали из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ3-1, ВТ6, 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, в состав которых входили: от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NH4 F (при вес.%: 80% KF и 20% NH4F), а также дополнительные добавки (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4). При обработке производили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 70°способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 90°C). В таблице приведены результаты обработки поверхности изделий из титановых сплавов. Условия обработки по по способу-прототипу, при многоэтапной обработке: первый этап: электрическое напряжение 120способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 170 В, время - 18способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 50 сек (0,3способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,8 мин); второй этап: напряжение - 210способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 350 В, время - 1,5способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 5 минут (90способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 300 сек); третий этап: напряжение - 210способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 350 В, время - 0,8способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 2,5 минут (90способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 300 сек) (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 - 210способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 350 В, время - 0,8способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 2,5 минут (90способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 300 сек) (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 320 В до 340 В; электролит - 2-7% водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное; добавки в электролит - поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4; величина тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см 2 до 4000 см2. Перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов (электрический потенциал от 320 В до 340 В) обрабатывали вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит (обработку вспомогательных элементов вели до стабилизации процесса полирования). Кроме того, исследовались электролиты: от 2% до 7% (1% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (Н.Р.) водный раствор смеси KF и NH4 F, при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26% (14% - (Н.Р.); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (Н.Р.)), KF - остальное. Исследования электролитов показали аналогичный результат результатов обработки деталей из титановых сплавов. В таблице приведены средние значения шероховатости поверхности Ra, полученные по способу-прототипу и предлагаемому способу.

Вариант способа Материал Исходная шероховатость поверхности, Ra мкм Шероховатость поверхности (Ra мкм), после обработки
Средняя величина Ra, мкм Разброс значений способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 Ra мкм
Прототип1 ВТ-10,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,15способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,050,10
2 ВТ3-10,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,20способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,070,13
3 ВТ60,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,25способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,060,19
4 ВТ80,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,22способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,070,19
Предлагаемый5 ВТ-1 0,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,10способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,060,04
6 ВТ3-10,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,08способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,050,03
7 ВТ60,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,09способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,060,02
8 ВТ80,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,09способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,070,04
Предлагаемый с добавл. ПАВ 9ВТ-1 0,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,08способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,050,03
10 ВТ3-10,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,07способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,050,02
11 ВТ60,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,08способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,070,03
12 ВТ80,45способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,500,08способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,060,02

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов позволяет повысить, по сравнению с прототипом, качество обработки изделий из титановых сплавов ВТ-1, ВТ3-1, ВТ6 и ВТ8. Как видно из приведенных в таблице примеров, средние значения шероховатости поверхности для прототипа от Ra 0,25способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,05 мкм (при величине разброса значений способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 Ra=0,10 до 0,19 мкм), для предлагаемого способа улучшается до Ra 0,09способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 0,05 мкм (при величине разброса значений способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана   и титановых сплавов, патент № 2461667 Ra=0,04 до 0,02 мкм).

Улучшение качества полирования деталей из титана и титановых сплавов по предлагаемому способу во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование электролитно-плазменного полирования детали из титана и 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, приложение к обрабатываемой детали электрического потенциала от 320 B до 340 B, использование в качестве электролита 2-7% водного раствора смеси KF и NH 4F, при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное, а также использование следующих вариантов: ведение полирования при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°C до 90°, в течение от 1 до 10 минут, при площади полирования от 1 см 2 до 4000 см2; использование в качестве детали лопатки турбомашины; дополнительное введение в состав электролита поверхностно-активных веществ в концентрации 0,4-0,8% или 0,3 -0,8% TiF4; обработка перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, вспомогательных элементов из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, проведение обработки вспомогательных элементов до стабилизации процесса полирования, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повысить качество обработки и надежность процесса полирования деталей из титана и титановых сплавов, а также снизить его трудоемкость.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана и 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, отличающийся тем, что к обрабатываемой детали прикладывают электрический потенциал от 320 В до 340 В, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес %, KF - остальное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полирование ведут в течение от 1 до 10 мин при площади полирования от 1 см2 до 4000 см2.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что полирование ведут в течение от 1 до 10 мин при площади полирования от 1 см2 до 4000 см2.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве деталей используют лопатки турбомашины.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве деталей используют лопатки турбомашины.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве деталей используют лопатки турбомашины.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8%.

9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес.% TiF4.

10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что перед полированием деталей в электролите по режимам обработки деталей из титана или титанового сплава для образования осадка ведут обработку вспомогательных элементов из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2461667

patent-2461667.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C25F3/16 полирование

Патенты РФ в классе C25F3/16:
способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов -  патент 2495967 (20.10.2013)
способ полирования деталей из титановых сплавов -  патент 2495966 (20.10.2013)
ручной инструмент-электрод для электрохимического полирования металлов -  патент 2472874 (20.01.2013)
способ электрохимического полирования металлов и сплавов -  патент 2451773 (27.05.2012)
способ обработки поверхности магниевых сплавов -  патент 2403326 (10.11.2010)
способ изготовления шпинделя из титанового сплава для трубопроводной арматуры -  патент 2385792 (10.04.2010)
способ изготовления шпинделя из стали для трубопроводной арматуры -  патент 2380598 (27.01.2010)
способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов -  патент 2373306 (20.11.2009)
способ электролитно-плазменной обработки деталей -  патент 2357019 (27.05.2009)
способ электролитно-плазменного полирования металлических изделий -  патент 2355829 (20.05.2009)

Наверх