Введение к работе
Актуальность работы. В современных авиационных ГТД широко используются жаропрочные никельхромовые материалы с повышенным содержанием хрома из которых, например, изготавливаются лопатки компрессора и детали сотовых уплотнений.
Детали сотовых уплотнений и лопатки компрессора имеют сложную форму, а к качеству поверхности предъявляются особые требования по коррозионной стойкости. Применение большинства известных методов обработки (пайка, высокоточное литье, электроэрозионная обработка (ЭЭО) -для уплотнений; вальцевание, фрезерование, шлифование и т.д. - для лопаток) является для изготовления такого рода деталей не всегда приемлемым, к примеру, при ЭЭО сотовых элементов уплотнений возникает термически измененный поверхностный слой, а также имеет место интенсивный износ сложнопрофильного электрода-инструмента (ЭИ).
Отрицательными факторами обработки пера малогабаритных лопаток компрессора механическими методами являются прижоги, неравномерность структуры и свойств в пере лопаток и в прикомлевом участке, что оказывает влияние на долговечность работы деталей. Реализация электрохимической размерной обработки лопаток с применением станков на постоянном токе используется как черновая операция, требующая последующей финишной обработки.
Одним из возможных решений данных проблем является импульсная электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) с вибрацией ЭИ. Существующий уровень развития технологии ЭХО с использованием станков на постоянном токе не позволяет использовать технологические преимущества метода импульсной ЭХО (на малых межэлектродных зазорах, с высокими плотностями тока), заключающиеся в изготовлении высокоточных деталей. Для промышленной реализации этого процесса требуется совершенствование технологий импульсной ЭХО и разработка оборудования для их реализации.
Перспективным является применение электрохимического полирования (ЭХП) после ЭХРО в качестве финишной операции, исключающее операции ручного механического шлифования и полирования, что обеспечило бы требуемое состояние поверхностного слоя деталей ГТД для повышения стойкости к высокотемпературной газовой коррозии.
В связи с этим исследование процессов ЭХРО и ЭХП никельхромовых жаропрочных материалов для разработки прогрессивных технологических процессов является весьма актуальной задачей.
Цель работы:
Разработка технологии импульсной электрохимической обработки деталей газотурбинного двигателя с последующим электрохимическим полированием для повышения качества поверхностного слоя и стойкости к высокотемпературной газовой коррозии.
Задачи исследований:
1. Исследовать электрохимическую обрабатываемость никельхромовых
жаропрочных материалов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ с целью
определения состава электролитов и технологических параметров,
обеспечивающих высокие показатели процесса (точность, качество
поверхностного слоя, производительность). Установить влияние
легирующего компонента хрома на высокоскоростное анодное растворение
данных сплавов.
2. Разработать математическую модель формообразования при
импульсной электрохимической обработки сотовых элементов уплотнения,
учитывающую технологические особенности схемы обработки.
Исследовать процесс ЭХП деталей ГТД из сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ для применения в качестве финишной операции после размерной ЭХО.
Исследовать влияние поверхностного слоя сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ после ЭХО и последующего ЭХП на стойкость к высокотемпературной газовой коррозии.
5. Разработать технологию ЭХО с последующим ЭХП лопаток
компрессора и деталей сотовых уплотнений ГТД.
Методы исследования. Объектами исследований были выбраны детали ГТД (лопатки компрессора и детали сотовых уплотнений), изготовленные из жаропрочных никельхромовых сплавов ХН45МВТЮБР, ХН50ВМТЮБ. Для решения поставленных задач использовались современные методы изучения электрохимических процессов. Исследование кинетики электродных процессов проводилось на потенциостате ПИ-50-1.1.(+0,5мВ) с использованием вращающегося дискового электрода и коррозиметра со встроенным АЦП. Особенности высокоскоростного анодного растворения сплавов изучались на экспериментальной установке, имитирующей процесс реального ЭХО. Разработка и отработка технологических режимов велась на электрохимическом копировально-прошивочном станке 4420Ф1. Контроль точности изготовления пера лопаток компрессора проводили с помощью трехмерной оптической системы оцифровки ATOS SO 4М. Фазовый состав поверхностных оксидов после газовой коррозии, определялся на приборе ДРОН 4-07. Свойства электролитов (электропроводность и рН среды) изучались с помощью прибора Dulcometer типа LFWS 1 С2 с константой ячейки 1,0 см"1 и диапазоном измерений 10-200 jliS/cm. Качество обработанной поверхности оценивалось путем измерения шероховатости поверхности на приборе «Профилометр Абрис-7ПМ» (ГОСТ 2789-83) и изучения поверхностного слоя с использованием фотомикроскопа ZEISS Axiotech 25 HD.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований влияния состава электролита и технологических режимов на выходные параметры импульсной ЭХО деталей ГТД из никельхромовых сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ.
2. Разработанная математическая модель формообразования при
импульсной ЭХО элементов сотовых уплотнений, позволяющая повысить
точность расчетов ЭИ и формы анодной поверхности с учетом распределения
напряженности поля в МЭП.
Разработанное приспособление и ЭИ для ЭХО деталей сотовых уплотнений, обеспечивающие необходимую точность позиционирования детали и ЭИ на электрохимическом станке.
Технологические рекомендации импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ деталей ГТД из никельхромовых сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ.
Технологические рекомендации ЭХП деталей ГТД после импульсной ЭХО для повышения качества поверхностного слоя и стойкости к высокотемпературной газовой коррозии.
Научная новизна:
1. Для совершенствования технологии ЭХО деталей сотовых уплотнений
ГТД впервые выявлены закономерности высокоскоростного анодного
растворения сплава ХН50ВМТЮБ с повышенным содержанием хрома
(33,5 %), характеризующиеся глубокой пассивацией поверхности и более
положительными потенциалами анодно-анионной активации сплава по
сравнению с никельхромовыми сплавами с меньшим содержанием хрома.
После ЭХО формируется поверхностная оксидная пленка, обуславливающая
стойкость к высокотемпературной газовой коррозии.
Разработан состав электролита (42% H2SO4 + 35% Н3РО4 +23% этиленгликоль) ЭХП деталей ГТД из никельхромовых сплавов при обработке в котором подтверждено наличие петли Жаке, а также технологические параметры, обеспечивающие шероховатость поверхности Ra 0,05-0,08 мкм.
Впервые предложен метод импульсной ЭХО с последующим ЭХП деталей ГТД из никельхромовых жаропрочных сплавов, способствующий снижению шероховатости поверхности по сравнению с типовыми методами ЭХО в 2-3 раза и повышению стойкости материалов к высокотемпературной газовой коррозии в 1,5-2 раза в результате обогащения поверхностного слоя хромом из-за избирательности процесса ЭХО и образования оксидов хрома при последующем электрохимическом полировании.
Практическая значимость:
Разработана технология импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ для деталей ГТД, обеспечивающая высокие технологические показатели процесса: скорость съема 0,15-0,22 мм/мин, точность обработки 0,03-0,1 мм, Ra 0,16 - 0,32 мкм, качество поверхностного слоя без микрорастравливания по границам зерен.
Математическая модель формообразования при импульсной ЭХО элементов сотового уплотнения, учитывающая обрабатываемость материала, позволяет обеспечить точность обработанных отверстий путем оптимизации толщины бурта на рабочей части ЭИ.
3. Разработаны приспособление и ЭИ, обеспечивающие подачу
электролита в зону обработки через отверстия (0 0,8 мм) в теле электрода с
описанием маршрутной технологии его изготовления для ЭХО деталей сотовых уплотнений.
4. Разработаны технологические рекомендации по ЭХП деталей ГТД из сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ для применения в качестве финишной операции после размерной ЭХО и способствующей повышению продолжительности инкубационного периода при высокотемпературной газовой коррозии деталей ГТД.
Достоверность результатов исследований. Результаты
диссертационной работы и ее выводы являются достоверными, научные положения аргументированы. Достоверность полученных результатов базируется на использовании современных физико-химических методов исследований и методов математической статистики.
Апробация работы. Результаты работы в целом и отдельные ее части
представлялись и обсуждались на: международном симпозиуме «International
Symposium on Electrochemical Machining Technology», Germany, Freiburg -
2005; Международной молодежной научной конференции «XII Туполевские
чтения», Казань - 2004; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских
работ студентов, Москва - 2004; «Материалы научно-практической
конференции, посвященной 95-летию основания Башкирского
государственного университета», Уфа - 2004; Всероссийской научно-
технической конференции «Современная электротехнология в
промышленности России», Тула - 2005; Международной научно-технической
конференции «Современная электротехнология в промышленности России»,
Тула - 2007; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной
100-летию со дня рождения профессора Муханова И.И. «Современные
проблемы в технологии машиностроения», Новосибирск - 2009; II
Международной научно-технической конференции «Современные методы в
теоретической и экспериментальной электрохимии», Иваново - 2010;
Международной научно-технической конференции «Электроэрозионные и
электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции»,
Москва-2010.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 работах, в том числе в 3 статьях в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент RU 2006115436 А.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 202 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 107 названий, содержит 29 таблиц и 109 рисунков.
