На правах рукописи

ХАМЗИНА АЛЬБИНА РАСИХОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ ГТД ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И СТОЙКОСТИ К

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ

Специальность:

05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА – 2010 ХАМЗИНА Альбина Расиховна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ ГТД ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И СТОЙКОСТИ К

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ

Специальность:

05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 21.09.2010 г.Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9.

Тираж 100 экз. Заказ № ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса,

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, заслуженный химик РБ, д-р техн. наук, профессор Амирханова Наиля Анваровна, проф. кафедры общей химии Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Проничев Николай Дмитриевич, проф. кафедры производства двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Владимирович, зав.

кафедрой оборудования и технологии сварочного производства Уфимского государственного авиационного технического университета Ведущее предприятие – ФГУП ММПП "САЛЮТ" (г. Москва)

Защита состоится « 5 » ноября 2010г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г.Уфа, ул. К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ по адресу: г.Уфа, ул. К.Маркса, 12.

Автореферат разослан « 23 » сентября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета 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.

3. Исследовать процесс ЭХП деталей ГТД из сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ для применения в качестве финишной операции после размерной ЭХО.

4. 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-50мВ) 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 копировальнопрошивочном станке 4420Ф1. Контроль точности изготовления пера лопаток компрессора проводили с помощью трехмерной оптической системы оцифровки ATOS SO 4M. 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 S/см. 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.

3. Разработанное приспособление и ЭИ для ЭХО деталей сотовых уплотнений, обеспечивающие необходимую точность позиционирования детали и ЭИ на электрохимическом станке.

4. Технологические рекомендации импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ деталей ГТД из никельхромовых сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ.

5. 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.

2. Разработан состав электролита (42% H2SO4 + 35% H3PO4 +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.

3. 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:

1. 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.

2. 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 ( 0,8 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 научнотехнической 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 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.

Во Введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В главе I проведенный сравнительный анализ различных методов обработки для деталей сотовых уплотнений таких, как пайка, высокоточное литье, ЭЭО, для лопаток компрессора - вальцевание, фрезерование, шлифование и т.д, показал, что наиболее эффективным и экономически выгодным является способ импульсной ЭХО. Существенными недостатками методов обработки деталей сотовых уплотнений является наличие непропаев, измененного поверхностного слоя, брака, т.к. технологически затруднительно обеспечить толщину перемычек (0,7 мм). Для лопаток компрессора отрицательными факторами механической обработки пера являются прижоги, неравномерность структуры и свойств в пере лопаток и в прикомлевом участке, что оказывает влияние на долговечность работы деталей. Однако существующие режимы, составы электролитов и технологические схемы, разработанные для ЭХО никельхромовых материалов, не обеспечивают одновременно высокую производительность, точность и качество поверхности, что требует совершенствования технологии ЭХО и оборудования. Анализ закономерностей высокоскоростного растворения различных никельхромовых материалов выявил отсутствие данных по ЭХО сплава с высоким содержанием хрома ХН50ВМТЮБ (33,5%). Проведен анализ существующих методов финишной операции лопаток ГТД, согласно которому применение метода ЭХП способствовало бы исключению операций ручного полирования и шлифования лопаток компрессора, а также повышению качества поверхности. Использование традиционных методов полирования профиля пера лопаток (виброконтактное полирование, объемное шлифование, ручное шлифование) не позволяет достичь высокой производительности при требуемом качестве поверхности и точности обработки, но самое главное – невозможно полирование кромок пера малогабаритных лопаток (толщина кромок менее 1 мм). В результате известных способов полирования в поверхностном слое по всей толщине лопатки образуются сквозной наклеп и прижоги. Анализировались составы электролитов и технологические режимы ЭХП, обеспечивающие требуемое качество поверхности.

Рассмотрены механизмы ЭХП никельхромовых материалов. В литературе отсутствуют данные по применению технологии ЭХО с последующим ЭХП никельхромовых жаропрочных материалов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ.

Сравнительный анализ механизмов повышения стойкости к высокотемпературной газовой коррозии показал разницу в скоростях коррозии полированных и неполированных образцов. Описаны закономерности газовой коррозии, влияние газовой среды и возможность образования защитных пленок на поверхности металла в результате полирования. На основании проведенного литературного анализа сформулированы основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе представлены технические требования, предъявляемые к лопаткам компрессора и деталям сотовых уплотнений, элементный состав сплавов (ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ), используемых для их изготовления, требования, предъявляемые к материалам, параметры эксплуатации деталей ГТД. Дано обоснование выбора используемых электролитов и условий экспериментов. Представлены технологические схемы для импульсной ЭХО и для ЭХП опытных образцов. Рассмотрена методика изучения кинетики электродных потенциалов, описана конструкция установки и электрохимической ячейки с электродами сравнения для определения зависимостей электродного потенциала от плотности рабочего тока. Для управления процессом ЭХО определена лимитирующая стадия обработки температурно-кинетическим методом.

Контроль точности изготовления пера лопаток КВД методом ЭХО определен на установке ATOS SO 4M.

Представлены методика и лабораторная установка для проведения технологических экспериментов по электрохимической обрабатываемости материалов. Для определения производительности ЭХО и качества поверхностного слоя проводились гальваностатические исследования отработанных электролитов (определение Ni+2, Cr+3, Cr+6) с использованием фотоколориметра Photoelectric colorimeter type KF 77 и фотомикроскопа ZEISS Axiotech 25 HD.

Приведена методика вычисления токов коррозии, согласно которой снимались поляризационные кривые в гальваностатическом режиме и вычислялись токи коррозии методом трех точек.

Рассмотрен метод ускоренных испытаний на высокотемпературную газовую коррозию образцов деталей ГТД. Фазовый состав поверхности образцов деталей ГТД после ускоренных испытаний исследован методом рентгеновского анализа (Дрон 4-07).

Третья глава посвящена оптимизации технологических показателей ЭХО деталей ГТД из жаропрочных никельхромовых сплавов и математическому моделированию электрохимической обработки сотовых элементов уплотнения. Приведены экспериментальные зависимости электродных потенциалов от плотности рабочего тока (до 50 А/см2) для различных материалов электродов и составов электролитов. Выявлено, что добавки хлорид-ионов в растворы на основе нитрата натрия способствуют активации сплавов с относительно низким содержанием хрома. Ионизация материалов (ХН45МВТЮБР, ХН50ВМТЮБ) как в активирующих, так и в пассивирующих электролитах происходит только в анодно-анионной области, что обусловлено большой концентрацией легирующего компонента хрома. При использовании пассивирующего кислородосодержащего электролита (NaNO3) область пассивации расширяется и анодно-анионная активация происходит при потенциалах более положительных, чем потенциалы анодно-анионной активации в активирующем хлоридном электролите, что объясняется активирующим действием хлорид-ионов, так анодно-анионная область начинается при потенциале 1,45 В для сплава ХН45МВТЮБР и при потенциале 1,63 В для сплава ХН50ВМТЮБ.

Во всех исследуемых электролитах при равных температуре и электропроводности, плотности тока в анодно-анионной области для сплава ХН45ВМТЮБР выше в 5…7 раз по сравнению со сплавом ХН50ВМТЮБ.

высокоскоростного анодного растворения температурно-кинетическим методом, путем снятия поляризационных кривых (температура электролита варьировалась от 20°С до 60°С). i, А/см Рисунок 1 – Потенциодинамические кривые в электролите 15% NaNO3 + 7% NaCl: а - ХН45МВТЮБР; б - ХН50ВМТЮБ при Т = 20 - 60°С (скорость вращения электрода 1000 об/мин, скорость развертки 50 мВ/с) Для лопаточного сплава ХН45МВТЮБР по значениям «эффективной»

энергии активации при ионизации сплава в 15% NaCl (Еа=15,788 кДж/моль) и 15% NaNO3 (Еа=15,404 кДж/моль) можно установить, что лимитирующей стадией является диффузия, а при ионизации в электролите 15% NaNO3+7% NaCl (Еа=22,872 кДж/моль), лимитирующей стадией - электрохимическая.

Установлено, что при поляризации сплава ХН50ВМТЮБ, содержащего 33,5% хрома, процесс ионизации лимитируется электрохимической стадией (Еа=16,267 – 26,793 кДж/моль).

При исследовании поляризации в гальваностатических условиях выявлено, что выход по току для материалов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ наибольший при использовании электролита 15% NaNO (=100%). При поляризации никельхромовых сплавов в растворе нитрата натрия наблюдаются максимальные парциальные выходы по ионам Ni+2, а по ионам Cr(VI) и Cr(III) максимальные выходы по суммарному значению для Cr(VI) и Cr(III) (26 %) выявлены при использовании двухкомпонентного электролита (15% NaNO3 + 7% NaCl). По результатам определения парциальных выходов по Ni+2, Cr+6 и Cr+3 установлено, что при поляризации сплавов в электролитах 15% NaCl + 5% NaNO3 и 15% NaCl + 7% NaNO3 четко обнаруживается селективность растворения (Ni+2=60-90 %, Cr+3 = 14-15%, Cr+6 = 12-18 %). Наименьшая шероховатость поверхности после гальваностатических исследований для материалов обнаружена после ЭХО в электролите на основе 15% NaNO3 (Ra 0,17-0,18 мкм).

Определялись выходные параметры ЭХО в лабораторных условиях и на промышленном электрохимическом станке в различных по составу электролитах. Разработаны технологические режимы и составы электролитов, обеспечивающие высокие показатели процесса при импульсной ЭХО (скорость растворения (W), выхода по току (), коэффициента локализации (КL),значения высоты микронеровностей поверхности (Ra), точность обработки).

При сопоставлении значений скоростей съема в различных растворах электролитов установлено, что в растворе на основе хлорида натрия скорость ионизации выше по сравнению со скоростями растворения в растворах на основе нитрата натрия для материала ХН45МВТЮБР – 0,28 мм/мин, для сплава ХН50ВМТЮБ - 0,26 мм/мин, что связано с активирующим действием хлорид-ионов. В электролитах, где основой является нитрат натрия (15%), с увеличением электропроводности при введении 1-7% NaCl для материала ХН45МВТЮБР наблюдается повышение линейных скоростей съема от 0, до 0,24 мм/мин. Введение добавок 3-5% хлорида натрия в раствор на основе 8% нитрата натрия способствует повышению скорости съема до 0,27 мм/мин для лопаточного материала ХН45МВТЮБР и до 0,22 мм/мин для сплава ХН50ВМТЮБ. Электрохимическая обработка никельхромовых жаропрочных сплавов в двухкомпонентных электролитах на основе нитрата натрия (8;15% NaNO3 + 1;3% NaCl) характеризуется выходом по току равным 85-100 % и коэффициентом локализации электролита КL=1,1-1,2.

Показано, что после импульсной ЭХО жаропрочных сплавов шероховатость поверхности в электролите 8% NaNO3 + 3% NaCl составляет Ra 0,18 мкм для материала ХН45МВТЮБР и для ХН50ВМТЮБ в электролите 8% NaNO3 Ra 0,15 мкм и в 15% NaNO3 + 1% NaCl Ra 0,18 мкм.

Исследования электрохимической обрабатываемости сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ на промышленном электрохимическом станке с применением вибрирующего ЭИ (f=50 Гц, амплитуда вибрации ЭИ 0,2 мм) и импульсного технологического тока (раб.имп.=10-4000 мкс) показали, что в электролите 15% NaNO3 + 1% NaCl для ЭХО деталей сотовых уплотнений обеспечиваются хорошие технологические показатели процесса (Ra 0,32 мкм), точность обработки по боковой поверхности – 0,1 мм.

Шероховатость поверхности после импульсной ЭХО лопаток компрессора (ХН45ВМТЮБР) в рекомендуемом электролите 8% NaNO3 + 3 % NaCl составляет Ra 0,16 - 0,32 мкм, W= 0,18 мм/мин, точность обработки 0,03 мм.

Анализ качества поверхностного слоя после ЭХО деталей ГТД из сплавов ХН45ВМТЮБР, ХН50ВМТЮБ показал, что выбранные технологические режимы обеспечивают обработку без микрорастравливания по границам зерен (рис.2).

Рисунок 2 – Микроструктура поверхности (поперечный шлиф) после импульсной ЭХО а) материала ХН45МВТЮБР; б) сплава ХН50ВМТЮБ (увеличение х1000) Одной из проблем ЭХО является обеспечение точности выдерживания боковых поверхностей при прошивке отверстий, что возможно путем изготовления ЭИ с изоляцией по боковой поверхности с наличием бурта вблизи торцевой части ЭИ, а также выбором электролита с высокой локализующей способностью. Толщина бурта должна быть оптимальной с точки зрения возможности изготовления ЭИ и обеспечения требуемой точности толщины перемычек сотовых уплотнений. Для решения этой задачи была разработана математическая модель с помощью метода теории функций комплексного переменного.

На основе известной экспериментальной зависимости выхода по току от плотности тока (в нашем случае применение электролита с высокой локализующей способностью 15%NaNO3 + 1%NaCl характеризуется резким увеличением выхода по току () с увеличением плотности тока (jа)) и для модели идеального процесса сформулирована плоская задача формообразования при импульсной ЭХО элементов сотового уплотнения.

Рассматривалась схема обработки сотовых ячеек уплотнения катодоминструментом с изоляцией по боковой поверхности и прямолинейными участками в физической плоскости (рис.3).

Рисунок 3 – Расчетная схема: а – схема МЭП в начальный момент времени; б – схема одиночной ячейки сотового уплотнения после ЭХО, вызванное действием электрического поля (Е) В виду того, что задача симметричная, рассматривалась только половина рабочей области. ACDB - граница катода, состоящая из участков BD и АС, бурта DC. Участок DB является изолированным, в области ACD происходит растворение металла. После принятия ряда граничных условий и допущений предполагалось, что поверхности ЭИ и обрабатываемой детали считаются эквипотенциальными, т.е. Uа = 0, Uк = U. Сформулированная таким образом задача решалась методом последовательного решения формообразования при ЭХО.

Съем металла z за промежуток времени t моделировался смещением каждой точки по нормали к поверхности, пропорциональное напряженности электрического поля в этой точке:

где К= kc/- электрохимическая постоянная;

kc – электрохимический эквивалент;

- плотность материала детали;

- электропроводность электролита.

В частности, при повторной обработке снимаемые слои накладываются друг на друга (z(x) = z1(x) + z2(x)).

В результате расчетов изменения формы обрабатываемой поверхности за счет электрического растворения (вызванное действием электрического поля), вектор напряженности в каждой точке МЭП находится по выведенной формуле:

где i – мнимая единица;

U – напряжение;

c – числовой безразмерный параметр, определяющий высоту бурта;

t – параметрическая переменная.

Для определения влияния высоты бурта на точность обработки с использованием уравнения (2) получена зависимость, приведенная на рис.4.

Рисунок 4 – Изменения профиля (половина рабочей области) одиночного углубления сотового уплотнения от значений высоты бурта в конструкции электрода-инструмента: 1 – h=0,1; 2 – h=0,7; 3 – h=2.

Высота бурта h электрода-инструмента определяется как Проведенные исследования позволили установить значения расширений высоты бурта ЭИ для электрохимического формообразования деталей сотовых уплотнений требуемой точности обработки. Теоретические результаты были подтверждены экспериментами.

В четвертой главе приведены результаты исследований закономерностей ЭХП материалов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ после ЭХО и влияния ЭХП на эксплуатационные свойства деталей (коррозионную стойкость). Изучалось влияние природы и состава электролита, а также электрических параметров ЭХП на качество поверхности. В результате проведенных экспериментов определены составы электролитов на основе H2SO4, H3PO4, в которых после глубоко пассивной области выявлено наличие петли Жаке, присущей для электрохимического полирования, вследствие образования вязкого слоя из продуктов анодного растворения, который способствует выравниванию высот микронеровностей.

Установлено, что для ЭХП электролит состава 42% H2SO4 + 35% H3PO4 + 23% этиленгликоль по сравнению с другими известными электролитами способствует получению хорошего качества поверхности. Выявлено, что после ЭХО и последующего ЭХП для лопаток компрессора (ХН45МВТЮБР) и деталей сотовых уплотнений (ХН50ВМТЮБ) шероховатость поверхности уменьшается в 2 раза (Ra = 0,05-0,08 мкм).

Необходимым 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.

Предложенная технология импульсной ЭХО с последующим ЭХП деталей ГТД, способствует в значительной мере повышению качества поверхностного слоя (рис.5).

Рисунок 5 – Деталь сотового уплотнения: а - фотография детали после импульсной ЭХРО в электролите 15% NaNO3 + 1% NaCl; б - фотография детали после импульсной ЭХРО + ЭХП в 42% H2SO4 + 35% H3PO4 + 23 % этиленгликоль (U=4,5 В, i=3,6 А/см2, Т=30-35 °С, t=35 сек) (х10) Эксплуатационные свойства деталей в значительной степени определяются состоянием и структурой поверхностного слоя, полученного на финишной операции. Результаты исследований влияния ЭХП на высокотемпературную газовую коррозию показали, что в значительно меньшей мере происходит газовая коррозия сплавов после ЭХП (рис.6).

Рисунок 6 – Внешний вид поверхности образцов из материала ХН45МВТЮБР после ускоренных испытаний на высокотемпературную газовую коррозию (над смесью солей MgCO3, Na2SO3, NaCl, Т=800 °С, t = мин): а – после ЭХО; б – после ЭХО+ЭХП Установлено, что скорость коррозии после 50 мин испытаний для образцов после ЭХП составляет 0,07 мг/см2 для материала ХН45МВТЮБР и 0,06 мг/см2 для сплава ХН50ВМТЮБ. Наблюдалось значительное снижение скорости газовой коррозии при длительной выдержке порядка 200 мин для образцов после ЭХО+ЭХП, скорость коррозии для образцов из сплава ХН45МВТЮБР снижается в 2 раза, для сплава ХН50ВМТЮБ скорость газовой коррозии уменьшается в 1,5 раза, что обусловлено наличием плотных защитных пленок, состоящих из NiO и Cr2O3, что подтвержденно рентгеновским фазовым анализом.

Тэл-та = 20-25 °С Раб. среда:

8% NaNO3 + 3% NaCl Рисунок 7 – Маршрутная технология изготовления пера лопаток компрессора ГТД (ХН45МВТЮБР): импульсная ЭХРО с вибрацией ЭИ + В пятой главе показаны примеры технологического применения результатов исследований (рис.8). Приведены разработанная конструкция (рис.9) электрода-инструмента и основные требования для изготовления рабочей части ЭИ. Представлена конструкция приспособления для ЭХО деталей сотовых уплотнений, обеспечивающее необходимую точность позиционирования детали и ЭИ на электрохимическом станке. Даны технологические рекомендации по выбору режимов обработки для операций ЭХО и ЭХП деталей сотовых уплотнений и лопаток компрессора авиационного ГТД. Представлены требования к техническим характеристикам электрохимических станков для изготовления деталей сотовых уплотнений и лопаток компрессора ГТД.

Рисунок 8 – Общий вид деталей, изготовленных методом импульсной ЭХО а) сегмент сотового уплотнения; б) лопатка компрессора ГТД Рисунок 9 – а) Общий вид ЭИ, для реализации операции ЭХО деталей сотовых уплотнений; б) поперечный разрез

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные выводы:

1. На основе исследований электрохимической обрабатываемости никельхромовых материалов (ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ) в водных растворах хлорида и нитрата натрия, а также их смесей установлено, что ионизация сплавов в различных электролитах происходит только в анодноанионной области.

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.

Предложены электролиты на основе нитрата натрия с оптимальной концентрацией добавок (1;3% NaCl) и режим импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ деталей ГТД из сплавов ХН50ВМТЮБ, ХН45МВТЮБР, способствующие улучшению качества поверхности (Ra 0,16 - 0,32 мкм, отсутствие растравов в поверхностном слое). Разработанные составы электролитов, вследствие концентрационных ограничений, и являются причиной уменьшения разницы локальных скоростей съема - и фаз сплава. Локализующая способность указанных электролитов КL=1,1-1,2, выход по току сплавов при ЭХО в данных электролитах составляет 85-100 %.

2. Разработана математическая модель формообразования элементов сотового уплотнения при импульсной ЭХО, которая позволяет обеспечить точность обработанных отверстий путем оптимизации толщины бурта на рабочей части ЭИ.

3. Впервые предложено использование метода ЭХО+ЭХП деталей ГТД из сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ. Выявлены закономерности процесса ЭХП. Потенциодинамическими поляризационными исследованиями подтверждено наличие петли Жаке в электролитах, присущих для ЭХП, вследствие образования вязкого слоя из продуктов анодного растворения, обуславливаемого выравниванием высот микронеровностей. Разработаны технологические параметры и состав рабочей среды для ЭХП, обеспечивающие шероховатость поверхности Ra 0,05-0,08 мкм.

4. Установлено, что операция ЭХП после ЭХО деталей ГТД из никельхромовых жаропрочных сплавов способствует повышению коррозионной стойкости к высокотемпературной газовой коррозии и снижению шероховатости поверхности в 3-4 раза. Скорость коррозии для образцов из сплава ХН45МВТЮБР снижается в 2 раза, для сплава ХН50ВМТЮБ в 1,5 раза (при 200 мин), по сравнению с образцами после ЭХО. При ЭХО в результате избирательности травления наблюдается обогащение поверхностного слоя хромом, то при последующем ЭХП повышается содержание оксидов хрома, образуется плотная защитная пленка совершенной структуры.

5. Разработана технология импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ с последующим электрохимическим полированием лопаток компрессора и деталей сотовых уплотнений ГТД, обеспечивающая следующие показатели:

при ЭХО - производительность процесса 0,15-0,22 мм/мин, шероховатость поверхности Ra 0,1 - 0,32 мкм, точность обработки 0,03 – 0,1 мм; при ЭХП – шероховатость поверхности Ra 0,05-0,08 мкм.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК:

1. Исследования высокоскоростного анодного растворения никельхромового сплава ХН50ВМТЮБ для ЭХО сотовых уплотнений / Амирханова Н.А., Серавкин В.Н., Ямилова (Хамзина) А.Р., Филиппова М.А. // Металлообработка – С-Петербург: 2004, № 5(23), С. 14-18.

2. Электрохимическое полирование жаропрочных никель-хромовых сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ / Амирханова Н.А., Хамзина А.Р.// Металлообработка – С.-Петербург: 2006, № 5-6, С. 29-34.

3. Повышение стойкости газовой коррозии при электрохимическом полировании сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ /Амирханова Н.А., Галиев В.Э., Хамзина А.Р.// Металлообработка – С-Петербург: 2008, №1(43), С. 17-22.

В других изданиях:

4. Исследование электрохимической обрабатываемости сплава ХН50ВМТЮБ для разработки технологии ЭХО проставок первой ступени / Амирханова Н.А., Амирханова Ф.А., Ямилова (Хамзина) А.Р., Филиппова М.А // XII Туполевские чтения: Сб.тр. Междунар. науч. конф. – Казань: 2004, С. 101-102.

5. Исследования высокоскоростного анодного растворения никельхромового сплава ХН50ВМТЮБ для ЭХО сотовых уплотнений в ГТД / Галиев В.Э., Ямилова (Хамзина) А.Р.// Всерос. конкурс науч.-исслед. работ студ. – Москва: 2004, 35 с. (диплом № ДКК-04-124) 6. Исследование электрохимической обрабатываемости хромистых сталей ХН-45 и ХН-50 для разработки технологии проставок первой ступени турбины //Амирханова Н.А., Амирханова Ф.А., Ямилова (Хамзина) А.Р., Филиппова М.А // Материалы науч.-практ. конф., посвященной 95-летию основания БГУ – Уфа: 2004, С. 128-129.

7. Определение лимитирующей стадии высокоскоростного анодного ХН45ВМТЮБР / Амирханова Н.А., Хамзина А.Р.// Современная электротехнология в промышленности России: Сб. тр. Всероссийская научнотехн. конф. – Тула: 2005, С. 10-13.

8. Электрохимическая обработка никельхромовых сплавов/ Амирханова Н.А., Хамзина А.Р., Хрипунов С.С. // Технология электрохимической обработки: Сб.тр. Междунар. конф. – Германия, Фрайбург: 2005, С.15.

(опубликовано на английском языке) 9. Исследование высокоскоростного анодного растворения жаропрочного сплава ХН50ВМТЮБ для ЭХО сотовых уплотнений / Амирханова Н.А., Хамзина А.Р.// Современная электротехнология в промышленности России:

Сб. тр. Междунар. научно-техн. конф. – Тула: 2007, С. 26-32.

10. Патент RU 2006115436 А. Способ электрохимической обработки предварительно полученных отверстий малого диаметра / Амирханова Н.А., Галиев В.Э., Хамзина А.Р., Ганцев Р.Х., Копцев С.Н., Хрипунов С.С. //МПК B23H7/00. Опубл. 20.11.07. Бюл. № 32.

11. Обрабатываемость никельхромового сплава электрохимическим методом / Амирханова Н.А., Хамзина А.Р. // Современные проблемы в технологии машиностроения: Сб. тр. Всероссийская научно-практ. конф.

посвященная 100-летию со дня рождения профессора Муханова И.И. – Новосибирск: 2009, С. 26-30.

12. Исследование обрабатываемости сплава ХН45МВТЮБР электрохимическим методом / Амирханова Н.А., Галиев В.Э., Хамзина А.Р. // Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии:

Сб. тр. II Международная научно-техн. конф. – Иваново: 2010, С. 74.

13. Влияние электрохимического полирования на коррозионное поведение сплава ХН45МВТЮБР / Амирханова Н.А., Хамзина А.Р. // Электроэрозионные и электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции: Сб. тр. Международная научно-техн. конф. – Москва:

2010, С. 30-34.