Введение к работе
Актуальность темы. Применение в авиадеигателестроении деталей с износостойкими покрытиями из нитрида титана (TiN) требует создания их надежной ремонтной технологии. В настоящее время не существует достаточно эффективного метода удаления покрытий TiN. В связи с этим особое значение приобретает разработка технологического процесса удаления покрытия с формированием заданного качества поверхностного слоя, отвечающего требованиям повторного нанесения защитных слоев и обеспечивающего необходимые эксплуатационные свойства.
С целью удаления покрытия традиционно используются механический, химический и электрохимические методы. Механический метод является достаточно трудоемким. Так как необходимо удалить тонкое (3-12 мкм) покрытие, то при механической обработке возможно изменение микрорельефа поверхности, что снижает процент годных деталей. В целом, применение данного метода нецелесообразно. Химический метод прост в исполнении, но требует использования растворов кислот, щелочей и других химических веществ, ухудшающих экологические условия работы. Указанными недостатками обладает и электрохимический метод, который требует одновременно и больших затрат электроэнергии.
В связи с простотой реализации химического метода удаления покрытия, целесообразно его использование при условии максимального снижения агрессивности травильных растворов и проведения процесса при комнатной температуре, обеспечивающей малую испаряемость электролита.
В последние годы для полирования поверхности токопроводящих материалов разрабатывается метод электролитно-плазменной обработки (ЭПО) изделий. Применение данного метода связано с использованием высоких напряжений порядка 150-600 В и разбавленных растворов нетоксичных солей. Использование ЭПО в ремонтной технологии позволило бы совместить в едином процессе как удаление покрытия, так и обеспечение требз'емого физико-химического состояния поверхностного слоя обрабатьшаемых деталей газотурбинных двигателей (ГТД).
В связи с практически полным отсутствием данных по механизму удаления покрытия TiN требуется изучение протекания различных его стадий, что необходимо для реализации технологического процесса в производственных-условиях.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными НИР по темам НФ-ХМ-05-94-ПГ, НФ-ХМ-02-95-ПГ, НФ-ХМ-02-96-ПГ в рамках Всероссийской программы исследований "Наукоемкие технологии".
Цель работы. Установление закономерностей удаления покрытия нитрида титана химическим и электрояитно-плазменны.м методами и разработка регламентов к ремонтной технологии лопаток компрессора ГТД из сталей.
Методика исследований. Теоретическое исследование и анализ закономерностей удаления покрытия проводились на основе разработанной математической модели действия электролитов при использовании химического метода и физико-химической (феноменологической) модели возникновения парогазовой оболочки в случае ЭПО.
Для исследования кинетических закономерностей использовался гравиметрический метод определения скорости травления, проводились измерения электродных потенциалов, расчет токов коррозии и энергии активации, анализировался состав травильных растворов и шламов. Физико-химическое состояние обработанной поверхности изучалось с использованием методов оптической микроскопии, масслектромет-рического анализа, измерения микротвердости, профилометрирования.
После повторного нанесения покрытия оценивались адгезия и микротвердость покрытия, его коррозионной стойкость, величины остаточных напряжений в поверхностных слоях детали, изменение размеров профиля и выносливость.
При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность применения для удаления покрытий TiN электролита состава: 15% HF; 10%НС1; 10%HNOj с добавлением 0,14% уротропина, обеспечивающего получение поверхности подложки с шероховатостью 0,14-0,16 мкм.
Впервые предложен новый электролит (состав: 20% HF, 10% НС1, 10% Н3РО4 ) для химического удаления покрытия, отличающийся от известных тем, что он дополнительно содержит фосфорную кислоту, ингибирующую поверхность стали. (Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ по заявке № 95110172 от 30.03.96 )
Выявлены новые закономерности процессов химического растворения TiN в треххомпонентных травильных растворах:
-на симплекс-планах "состав-свойство" обнаружены зоны активности и пассивации, выявлено влияние компонентов электролита на скорость травления покрьпия и шероховатость подложки;
-установлено, что травление TiN осуществляется по порам покрытия, в которых подложка играет роль катодных, а покрытие -анодных участков, с последующим скальюанием TiN под действием остаточных напряжений;
-показано, что с увеличением толщины покрытия до 12 мкм скорость травления возрастает, что связано с увеличением остаточных
напряжений на границе "покрытие-подложка", а при съеме покрытия толщиной от 12 до 25 мкм скорость травления снижается в связи с залечиванием пор;
-установлено, что наличие имплантированного подслоя приводит к более быстрому удалению покрытия и получению поверхности с меньшей высотой микронеровностей, что обусловлено изменением физико-химического состояния поверхности подложки и, как следствие, возрастанием ЭДС коррозионных микрогальванопар "покрытие-подложка".
Впервые предложено для удаления покрытия TiN применять электролитно-плазменный метод (Решение ВИИИГПЭ о вьщаче патента РФ по заявке М) 95104824 от 17.і 0.96 ), который дает возможность удалить покрытие в растворе 5%-ного сульфата аммония с добавкой 3% этилового спирта.
Выявлены новые закономерности процесса ЭПО:
-на основе представлений о распределении тепла в системе выявлено влияние электрического напряжения и температуры электролита на формирование и установление парогазовой оболочки; установлены и экспериментально подтверждены закономерности изменения тока в системе и температуры электролита в ходе обработки;
-установлены и раскрыты закономерности изменения интенсивности процесса съема покрытая и качества поверхности при различных напряжениях, концентрациях и температурах электролита;
-установлено соответствие между изменением физико-химического состояния и топографии поверхности и характером переменной составляющей тока, отражающей разрядные процессы в парогазовой оболочке; показана возможность применения переменной составляющей тока для анализа скорости съема покрытия и полирования поверхности стали;
-показано, что введение в электролит добавок спирта приводит к эффективному окислению покрытия TiN и его удалению, что связано с наличием функциональных групп - ОН и активным их включением в процессы, протекающие в электролитном катоде. На защиту выносятся:
- способ химического удаления покрытия TiN с ремонтных лопаток компрессора ГТД из стали ЭИ-961Ш с использованием электролита системы HF-HCl-HNOj с добавкой уротропина и нового электролита системы HF-HCI-H3PO4, позволяющих после удаления покрытия получить поверхность подложки с шероховатостью 0,11 - 0,16 мкм;
-способ электролитно-плазменного удаления покрытия,
позволяющий совместить в едином процессе съем нитрида титана и полирование поверхности до шероховатости 0,06-0,09 мкм.
- результаты математического моделирования и эксперименталь
ные исследования зависимостей выходных технологических
показателей предлагаемых методов обработки от состава
электролитов и режимов процесса, позволившие объяснить механизм удаления покрытия и выявить возможности интенсификации съема покрытия и повышения качества обработанной поверхности.
Практическая ценность
-
Разработаны наиболее эффективные электролиты и режимы дня химического травления нитрида титана со стали ЭИ-961Ш, что положено в основу технологического процесса ремонта лопаток компрессора ГТД.
-
Установлено, что при удалении TiN химическим методом покрытие с имплантированным подслоем удаляется с большей скоростью с получением поверхности, обладающей наименьшей шероховатостью.
3. Разработаны и предложены регламенты к ремонтной
технологии удаления покрытия TiN с применением ЭПО, позволяющие
получить поверхность подложки с Ra=0,06-0,09 мкм.
4. Предложено использовать значення переменной составляющей
тока, отражающей разрядные явления в парогазовой оболочке, для
контроля за ходом и окончанием процесса при ЭПО. Рекомендовано, с
целью снижения растравливания подложки, проводить контроль за хи
мическим травлением покрытая по величине электродного потенциала.
5.Установлена возможность тиражирования разработанных рекомендаций для удаления покрытий TiN и ZrN со сталей типа 12Х18Н9Т и 38ХА.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
обеспечивается разработанной методикой экспериментальных
исследований, сравнением экспериментальных и расчетных данных, подученных при моделировании процессов, использованием методов математической статистики при их обработке.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: 4-я Европейская конференция "Восток-Запад" "Новые материалы и технологии" (С.-Петербург, І993); IV Межнациональное совещание "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1994); Всероссийская молодежная НТК "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1994); Всероссийская молодежная НТК "XXI Гагаринские чтения" (Москва, 1995); Всероссийская молодежная НТК "XXII Гагаринские чтения" (Москва, 1996); Всероссийская молодежная НТК "Молодая наука - новому тысячелетию" (Набережные Челны, 1996), Российская НТК "Теория н технология электрохимической обработки" (Уфа, 1996), Всероссийская
НТК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 1996).
Работа в целом и ее отдельные части докладывались на заседаниях кафедры "Общая химия" Уфимского государственного авиационного технического университета.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 23 научных трудах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 178 листах машинописного текста (включая иллюстрации, таблицы и список использованных источников из 80 наименований).