Способ повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей

Изобретение относится к технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей из легированных сталей. Способ включает полирование пера лопатки электролитно-плазменным методом, включающИм 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, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 В до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/л, а полирование ведут при температуре от 60 °C до 80 °C. Технический результат: повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин при одновременном снижении трудоемкости обработки. 8 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей из легированных сталей и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин.

Для изготовления лопаток турбомашин применяются легированные стали, обладающие высокой прочностью, в том числе и при высоких температурах, обеспечивающие одновременно достаточно высокую пластичность. Лопатки турбомашин из легированных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения.

С повышением параметров шероховатости пера лопатки ухудшается газодинамическая устойчивость двигателя, возрастают аэродинамические потери, приводящие к снижению КПД, к потере мощности, росту удельных расходов и к снижению экономичности двигателя или установки. Кроме того, качество обработки поверхности пера лопаток существенно влияет на их прочностные характеристики, так например, повышение класса чистоты поверхности способствует увеличению предела выносливости и статической прочности лопаток (В.Ф. Макаров, Е.Н. Бычина, А.О. Чуян. Математическое моделирование процесса полирования лопаток газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. №8 (85), 2011, с.11-14).

В то же время производство и ремонт лопаток газотурбинных установок и двигателей, в связи с высокими требованиями к качеству поверхности (Ra≤0,32…0,16 мкм), характеризуется значительной трудоемкостью их финишной обработки. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Известен способ полирования пера лопаток ГТД лепестковым кругом, при котором лопатке сообщают возвратно-поступательное перемещение относительно инструмента (АС СССР №1732604. МПК B24B 19/14. СПОСОБ ПОЛИРОВАНИЯ ПЕРА ЛОПАТОК ГТД ЛЕПЕСТКОВЫМ КРУГОМ), в котором полирование производят с деформацией лепесткового круга.

Известен также способ обработки, позволяющий полировать криволинейную кромку пера лопаток газовой турбины заправленным по радиусу полировальным кругом, движущимся вдоль пера лопатки (Патент РФ №2379170. МПК B24B 19/14. СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. 2010 г.).

Однако применение в известных способах полирования поверхности пера лопаток механического воздействия на обрабатываемую деталь вызывает ухудшение параметров качества поверхностного слоя материалов, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик лопаток, особенно имеющих небольшие толщины пера.

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), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.1986, а также Патент РБ №1132, МПК C25F 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. 02.07.1991].

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности деталей из легированных сталей.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электролитно-плазменного полирования детали 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], предусматривает обработку деталей из титановых сплавов и не может быть применен для обработки лопаток из легированных сталей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение таких эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, как усталостная и статическая прочность, сопровождающееся уменьшением шероховатости поверхности пера лопаток, а также повышение функциональных свойств лопаток, обеспечивающих более высокий КПД установки.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей и повышения их функциональных свойств за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, включающем полирование поверхности пера лопатки в отличие от прототипа, полирование пера лопатки осуществляют электролитно-плазменным методом, 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, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр, а полирование ведут при температуре от 60°C до 80°C, при этом возможны следующие варианты реализации способа: полирование пера лопатки ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,8 А/дм²; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации, вес. %: от 0,6 до 1,2.

Заявляемый способ электролитно-плазменного полирования поверхности пера лопатки в процессе его изготовления или восстановительного ремонта осуществляется следующим образом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. В качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр, причем полирование ведут при температуре от 60°C до 80°C до получения заданной шероховатости поверхности. Полирование пера, в зависимости от параметров детали (при площади обработки от 1 см² до 4000 см²) и заданной микрогеометрии поверхности ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,8 А/дм². Для повышения качества обработки, в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации, вес %: от 0,6 до 1,2%. Полирование поверхности пера лопатки ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита.

При осуществлении способа возникают 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 удаление покрытия с обрабатываемой поверхности деталей. 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. Для минимизации джоуль-ленцовых потерь, электролит должен обладать достаточной электропроводимостью.

Пример. Обрабатываемые образцы лопаток из легированных сталей погружали в ванну с водным раствором электролита и прикладывали к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение. Полирование поверхности пера лопатки производили в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывали электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводили полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, затем плавно уменьшали напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводили окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности. Полирование проводили в среде электролита: водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр. Кроме того, в ряде случаев в состав электролита дополнительно вводили добавки поверхностно-активные вещества в концентрации 0,6-1,2%. При обработке проводили циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса в интервале 60°…80°C).

Условия обработки по предлагаемому способу: электрический потенциал (напряжение), первый этап: от 320 до 350 В (300 В - Неудовлетворительный результат (Н.Р.); 320 В - Удовлетворительный результат (У.Р.); 320 В - У.Р.; 340 В - У.Р.; 350 В - У.Р.; 370 В - Н.Р.); первый этап: (250 В - (Н.Р.); 270 В - (У.Р.); 280 В - У.Р.; 290 В - У.Р.; 300 В - У.Р.; 320 В - Н.Р.). Электролит - водный раствор соли сульфата аммония концентрацией (4 г/литр - Н.Р.; 6 г/литр - У.Р.; 10 г/литр - У.Р.; 12 г/литр - У.Р.; 14 г/литр - Н.Р.; добавки в электролит-поверхностно-активные вещества в концентрации: (0,4% - Н.Р.; 0,6% - У.Р.; 0,8% - У.Р.; 1,2% - У.Р.; 1,4% - Н.Р.); величина тока от 0,2 А/дм² до 0,8 А/дм², при температуре от 70°C до 90°C (60°C - Н.Р.; 70°C - У.Р.; 80°C - У.Р.; 90°C - У.Р.; 98°C - Н.Р.).

По сравнению с используемым механическим способом полирования (Патент РФ №2379170) производительность процесса по предлагаемому способу, в среднем, в 3-4 раза, а средние значения шероховатости поверхности от Ra 0,65…0,45 мкм, для предлагаемого способа улучшается до Ra 0,03…0,02 мкм.

Использование способа повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей, включающего следующие признаки: полирование поверхности пера лопатки электролитно-плазменным методом; включающего: погружение детали в электролит; формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки; зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала; полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности; в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр; полирование ведут при температуре от 60°С до 80°С; полирование пера лопатки ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,8 А/дм²; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки; в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки; в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации, вес %: от 0,6 до 1,2 позволяют достичь поставленного в данном изобретении технического результата - является повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин из легированных сталей и повышения их функциональных свойств за счет улучшения качества обработки поверхности пера лопатки при одновременном снижении трудоемкости процесса обработки.

1. Способ обработки лопаток турбомашин из легированных сталей, включающий полирование поверхности пера лопатки, отличающийся тем, что полирование пера лопатки осуществляют электролитно-плазменным методом, включающим 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, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа - вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/литр, а полирование ведут при температуре от 60°C до 80°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полирование пера лопатки ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,8 А/дм².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинного двигателя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку компрессора газотурбинной установки.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве лопатки турбомашины используют лопатку газоперекачивающей установки.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в состав электролита дополнительно вводят поверхностно-активные вещества в концентрации, вес.%: от 0,6 до 1,2.