CC BY
38
УДК 621.9.047
ИССЛЕДОВАНИЕ НАВОДОРАЖИВАНИЯ ПРИ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ПЕРА ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ9
© 2008 Г. В. Смирнов Самарский государственный аэрокосмический университет
Рассмотрен процесс наводораживания обрабатываемой поверхности при импульсной окончательной электрохимической обработке (ЭХО) пера лопаток ГТД из титанового сплава ВТ9. Представлено уравнение регрессии, связывающее наводораживание и основные технологические факторы импульсной ЭХО. Обсуждаются области использования результатов исследования. Размерная импульсная электрохимическая обработка является оптимальным методом формообразования пера компрессорной лопатки, так гак в сочетании с последующей упрочняющей способствует повышению предела длительной прочности материала.
Наводораживание, импульс, метод, формообразование, лопатка, компрессор, сплав
Повысить точность размеров второго рода (расположен« пера относительно замка) можно за счет использования прогрессивных схем обработки. Речь идет о схемах, в которых реализуется принцип свободной периодической самоустановки пера относительно электродов и перезакрепления в процессе обработки, например [1], - наиболее простую из них. Тем самым устраняется влияние деформаций пера при удалении напряженного слоя в процессе ЭХО на точность расположения пера относительно замка после обработки. Однако реализовать даже наиболее простую из них на подобных заготовках, полученных методом ВСШ, можно только при условии высокой избирательности растворения при ЭХО, которая зависит от параметров ЭХО и особенно -состава электролита. Повышение локализации растворения положительно скажется также и на повышении точности формы. Однако следует учитывать, что при импульсной ЭХО оптимизация параметров по точности может не соответствовать оптимальным значениям с точки зрения наводораживания поверхности после обработки. Поэтому в нашем случае было принято решение приоритетным считать обеспечение заданной точности. Но определить влияние различных параметров ЭХО на наводораживание в виде эмпирической зависимости. И с ее помощью в практической работе определять предполагаемое содержание водорода в поверхностном слое после ЭХО на оптимальных по точности режимах и
сравнивать его с максимально допустимым. Если ожидаемая величина наводораживания будет превышать этот предел, то корректировать режимы в сторону снижения наводораживания.
Исследованию точности формообразования титановых сплавов и шероховатости обработанной поверхности при импульсной ЭХО посвящены многочисленные исследования. Наиболее обстоятельная из них - работа [2]. В результате комплексных исследований обрабатываемости титановых сплавов автор приходит к выводу, с которым сложно не согласиться, что для титановых сплавов типа ВТ9 высокой локализации растворения и снижения шероховатости поверхности до Яа = 0,38... 33 мкм можно достичь в хлорид-ни^аттк и хлорид-бромидных смесях и их невысокой суммарной концентрации. Причем при добавлении в электролит поверхностно-жтивных веществ (^\В) класса неонолов типа В1317 и ПАВ 24-30 шероховатость может быть снижена до Яа = 0,30 мкм. Поэтому в своих исследованиях влияния режимов импульсной ЭХО на наводораживание мы руководствовались приведенными рекомендациями.
Нами в работе [3] было показано, что содержание водорода в поверхностном слое зависит от структуры титанового сплава, состава электролита, его концентрации, кислотности, температуры, межэлектродного
зазора, напряжения на электродах, и получены уравнения регрессии для сплавов с различной структурой: ВТ20, ВТ9, ОТ4-2, связывающие перечисленные факторы с величиной наводораживания поверхности. В настоящих исследованиях был прият тот же методический подход При этом задача наших исследований, с одной стороны, была сужена, так как внимание в них было сосредоточено на сплаве ВТ9. То есть из рассмотрения исключался фактор структуры. Мы полагали, что влияние фактора структуры сохранит свой характер в неизменном виде и при импульсном напряжении на электродах. С другой стороны, ЭХО на импульсном токе предполагает влияние дополнительных факторов - длительности импульса и скважности. В этом смысле наши исследования можно считать расширением представлений о наводораживании с учетом импульсного характера тока.
Экспериментальные исследования наводораживания поверхности при электрохимической обработке проводились на экспериментальной установке ЭХО-12 с исполь-зованием цилиндрических образцов из титанового сплава ВТ9, имеющих площадь 1 см2 В исходном состоянии образцы имели содержание водорода 0,005 %, шероховатость поверхности Я = 2,5 мкм. В исследованиях применялись электролиты хлористого натрия, натриевой селитры, аммиачной селитры. Результаты экспериментов представлены в виде зависимостей наводораживания поверхности от различных факторов.
На рис. 1 и 2 приведены зависимости наводораживания поверхностного слоя при импульсной ЭХО сплава ВТ9 в различных электролитах. Наводораживание измерялось по стандартной методике. Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее. Сравнивая зависимости концентрации водорода в поверхностном слое от зазора, можно подтвердить ожидавшееся наличие максимума наводораживания при малых зазорах, которые являются основным рабочим диапазоном зазоров при импульсной ЭХО (0,1...0,2 мм). Однако при уменьшении зазоров до 0,04...0,06 мм (в области сверхмалых зазоров, на которых ЭХО лопаток сопряжена с риском коротких за-
мыканий, и в то же время повышения избирательности процесса) отмечается тенденция на уменьшение наводораживания. То есть, в той области зазоров, при которых ЭХО реально может выступать в качестве окончательного метода, можно добиться минимального наводораживания. Уменьшение наводораживания в области малых зазоров можно объяснить перераспределением процентного соотношения выделяющихся на аноде газов в сторону уменьшения доли водорода, если в качестве основного источника наводораживания принять анодное газовыделение. Сравнение с аналогичными условиями растворения на постоянном токе дают сходную по характеру картину (зависимость 5 практически повторяет характер кривой 4 со сдвигом в область более высоких концентраций). Правда, в зависимости для постоянного тока существует минимум в области зазоров 0,4...0,5 мм. Однако данная область зазоров интересна не только в общетеоретическом плане. Дело в том, что при большой неравномерности припуска по перу лопатки перед ЭХО (что имеет место у малоприпус-ковых заготовок) определенная часть пера во время ЭХО оказывается в области средних зазоров, близких к указанным.
Н
0,018
10,0%
0,010
0,006 0,002
О 0.1 0,2 0,3 ОЛ й Зазор, мм
Рис.1. Зависимость наводораживания сплава ВТ9 от межэлектродного зазора в различных электролитах:
1.-3%Ма€1+2%МаМоз; 2 - 3%ШС1+2%ШЫо3 + 0,10/ЛАВ; 3 - 9%ЫаС1 + 6%МаМо3 + 0,1%ЛАВ; 4. -15%ЫаС1 + 10%NaNoз+ 0,1<>%ПАВ; 5. - 15%NaCl + 10% ШШ3+ 0,1%ПАВ (пжтоянный ток)
Увеличение концентрации электролита вызывает увеличение наводораживания (рис. 2), что противоположно тенденции на постоянном токе, а следовательно, нжпады-
±Г
вает ограничения иа максимально возможную производительность процесса. Характер полученной зависимости можно объяснить увеличением потенциала пробоя окисной пленки и увеличением установившегося потенциала при прохождении импульса. А это создает неблагоприятные условия электрохимического восстановления нитрат-иона. Введение ПАВ24-30 в электролит незначительно повышает уровень наво-дораживания, по-видимому, за счет того же механизма, учитывая, что ПАВ изменяет распределение потенциалов.
Н
0.018
0,006
0.002
- ?!
' 1У
О
0.1
ОЛ
0,2 0.3 Зазор, мм
Рис.2. Зависимость наводораживания сплаваВТ9 от межэлектродного зазора в нитратных электролитах: I- 6%МаМо3; 2 - 6%тЫо3+0,10/ЛАВ, 3 - 10% ЫаЫо3; 4 - 10%КаКо3+0,1%аПАВ
При увеличении рабочего напряжения на электродах возрастает интенсивность электродных процессов, связанных как с растворением металла, так и с электрохимическим восстановлением нитрат-иона (N03").
По данным [5], увеличение плотности тока (ншржкения) приводит к увеличению общей скорости газовыделения, в том числе азота - продукта восстановления N0^, и снижению скорости выделения водорода. То есть увеличение напряжения способствует замене реакций разряда водорода на реакцию восстановления окислителя, что и приводит к снижению наводораживания, как в случае ЭХО на постоянном токе. На рис. 4 приведены зависимости наводораживания от температуры электролита. Анализ этих результатов показывает, что общей и наиболее характерной чертой обработки на импульсном токе является то, что температура
электролита влияет на процесс наводораживания значительно меньше, чем при ЭХО на постоянном токе, те. нагрев даже до температуры 45 °С не ведет к существенному увеличению наводораживания. То есть температура электролита при импульсной обработке титана не влияет на перераспределение скоростей выделения водорода и восстановления окислителя N0^. На рис. 5 приведена зависимость наводораживания от длительности импульса, из которой видно, что с увеличением длительности импульса наво-дораживание увеличивается. Это хорошо объясняется общим увеличением пропущенного через зазор электричества и в соответствии с этим увеличением объема выделившегося анодного водорода - основного источника наводораживания. Зависимость величины наводораживания от скважности приведена на рис. 6. Повышение наводораживания при увеличении паузы между импульсами, скорее всего, может быть обусловлено тем, что при возрастании пауз снижается скорость растворения анодной поверхности. При этом из вышеприведенных данных и распределений можно предположить, что в этих условиях реакция восстановления N0^ замещается на реакцию восстановления иона гидроксония, что приводит к увеличению наводораживания. Кроме того, при увеличении пауз возрастает время, в течение которого может продолжаться процесс взаимодействия водорода с поверхностью. Анализ результатов показывает, что наименьшее наводораживание при импульсной ЭХО может быть достигнуто при использовании в качестве электролита растворов нитратов (рис. 2, кривая I), тогда как при постоянном токе наилучшие результаты были достигнуты при обработке в смесях на основе хлористого натрия и азотнокислого натрия или аммиачной селитры. Представляет интерес изучение влияния добавки поверхностно-активного вещества на величину наводораживания в условиях импульсной ЭХО. Для исследований было выбрано поверхностно-активное вещество класса неонолов ПАВ 24-30, которое позволяет снизить шероховатость поверхности сплава ВТ9 более чем в два раза. Поскольку при анодном растворении сплава ВТ9 в хло-риднитратных электролитах отмечается на
аноде выделение водорода, было важно определить влияние ПАВ на наводораживание поверхности. При этом если ПАВ будет способствовать более быстрому удалению пузырьков водорода с поверхности растворяющегося металла, то наводораживание будет уменьшаться, в противном случае -возрастать. Из зависимостей, показанных на рис. 3, 2, 1, 4, можно видеть, что введение ПАВ приводит к увеличению наводоражи-вания поверхности. Важно отметить, что характер зависимостей наводораживания от зазора, напряжения и температуры электролита при введении ПАВ в электролит не нарушается, что свидетельствует о сохранении основных закономерностей наводораживания ВТ9 в этих условиях.
Н
М
0.018
0,0%
0.0Ю
0.006
0.002
.4.
л/ ^__V
10
%
26
18 22 Напряжение. В Рис. 3. Зависимость наводораживания сплава ВТ9 от напряжения на электродах:
- 3%NaCl+2%NaNoз; 2 - 15%NaCl + 10%ШШ3;
3 - 15%NaCl + 10%тт3+0,1%ЛАВ; 4 - 15%NaCl + 10%оШШ3 (постоянный ток);
5 - 5%NH4No3
Н
И
1
0.018 0,0140,010 0,006
0.002 20
4 / 1
3
и
26
32
38
44
А
Темпепатипа °С Рис.4. Зависимость наводораживания сплаваВТ9
от температуры электролита при обработке в различных электролитах: 1 - 3%^С1+2%^Ш3; 2 - 3%NaCl+2%NaNoз+(),1%ПAB; 3 - 12% N001+8% ^N03+0,1%ПАВ; 4 - 12%NaCl+8%NaNo3 (посттнный ток)
ы
ё 0,012 1
I 0,010
г|
| 0,006
1,0 1,2 1Л 1,6 Длительность импульса, мс Злектролит 7%Шоз
Рис. 5. Зависимость наводораживания поверхности образцов из сплава ВТ9 от длительности импульса. Электролит 8%NaNo3 И
0.018
0.074
0.010
0.006
0.002
4_> г
3 \2_
и
20
26
32
38
44
Температура
Рис.6. Зависимость наводораживания поверхности образцов из сплава ВТ9 от скважности импульсов.
Электролит 8% Na.No3
Из представленных данных следует, что хотя наводораживание в присутствии ПАВ увеличивается, то не превышает допустимого значения (0,015%). Поэтому добавка поверхностно-активного вещества класса неонолов в нитратных и хлорид-нитратных электролитах может быть эффективно использована для улучшения качества поверхности при обработке сплава ВТ9 методом импульсной ЭХО.
При импульсной ЭХО закономерности формирования поверхностного слоя, определяющие наводораживание в процессе обработки, существенно отличаются от обработки на постоянном токе. Источником наводораживания титановых сплавов в нитратах и хлорид-ни^атных растворах является водород, генерируемый на аноде по механизму адсорбции анодного атомарного водорода и его проникновения в поверхностный слой. Минимальное содержание водорода в поверхностном слое может быть по-
лучено при импульсной ЭХО титановых сплавов в электролитах на основе нитратов. При использовании хлорид-нитратных смесей на оптимальных режимах обеспечивается наводораживание не выше допустимых пределов. Рекомендуется добавка в электролиты при импульсной ЭХО титановых сплавов поверхностно - активных веществ в количестве 0,1... 0,15%.
Обработка титановых сплавов ВТ9 в нитратах и хлорид-нитратных растворах с допустимым наводораживанием поверхностного слоя обеспечивается при следующих оптимальных режимах: межэлектродный зазор 0,05...0,1 мм; напряжение на электродах 20.30 В; температура электролита 28 ..35°С; длительность импульса 0,8. 1,5 мс, скважность импульса 3.4.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что доя достижения главного параметра ЭХО - точности формообразования и удержания величины наводороживания обработанной поверхности титанового сплава на допустимом уровне при обеспечении приемлемой производительности процесса необходимо получить аналитическую зависимость наводоражива-ния от основных параметров импульсной ЭХО.
При этом нами были учтены результаты исследования влияния основных факторов ЭХО на наводораживание, которые позволили определить диапазон изменения факторов. Для определения аналитической зависимости основных факторов от наводо-раживания от режимов ЭХО нами было проведено планирование экспериментов. Температура из числа факторов исключалась, так как ее влияние незначительно. В соответствии с результатами экспериментальных исследований катодных и анодных процессов, которые протекут при электрохимической обработке титановых сплавов, было установлено, что при использовании хло-рид-нитратньк смесей снижается газонаполнение электролита по водороду, а также повышается выход по току на аноде. Это же подтвердили и наши эксперименты, описанные выше. Среда этих составов минимальное катодное газовыделение выявлено при использовании смеси хлористого натрия и азотнокислого аммония. Поэтому в качестве электролита в исследованиях применялись
водные растворы указанной смеси в соотношении 1,4:1,1. Верхние и нижние уровни факторов выбирались исходя из реального диапазона их изменения для обеспечения высокой точности формообразования:
- доительность импульса,
- скважность импульсов;
- межэлектродный зазор;
- суммарная концентрация электролита;
- напряжение на электродах.
При этом использовался дробный факторный эксперимент с полурепликой 25-1 (16 опытов). При выборе полуреплики 25-1 имеется множество вариантов планирования, х5 можно приравнять одному из шести парных взаимодействий или одному из четырех тройных взаимодействий, при этом линейные эффекты будут смешаны с двойными или тройными взаимодействиями. Наиболее рациональным в данной задаче будет выбор генерирующего соотношения, при котором фактор Х5 приравнен к взаимодействию, которым можно пренебречь х5=х1х2х3х4. При этом модель обладает наибольшей разрешающей способностью, определяющим контрастом является выражение 1=х1х2х3х4х5, и коэффициенты модели определяются оценками, смешанными с эффектами взаимодействия, близкими к нулю. Такие взаимодействия являются несущественными и ими можно пренебречь [5]. Принятые в исследовании уровни факторов и их кодированные обозначения приведены в таблице.
Принятое кодирование переменных необходимо для получения ортогональной матрицы планирования, позволяющей при математической обработке результатов эксперимента искомые коэффициенты определять независимо друг от друга.
Построение матрицы планирования и обработка результатов осуществлялись по методике, изложенной в работе [5]. Число параллельных опытов принималось равным п = 2. Это можно считать достаточным, тем более, что результаты опытов дополняют друг друга. Было принято решение аппроксимировать зависимость наводораживания %Н = f (Т, Q, а,и, ) линейной зависимостью, потому что в первом приближении по данным [2] она удовлетворительно описывает процесс наводораживания.
Таблица. Область исследуемых режимов
Факторы Кодовые обозначения факторов Натуральные уровни факторов, соответствующие кодированным
нижний -1 верхний +1
Длительность импульса и, мс XI 0,06 2,0
Скважность импульсов, д Х2 2 6
Зазор а, мм х3 0,04 0,2
Концентрация электролита, % х4 5 25
Напряжение и, В Х5 12 25
В результате проведенного исследования получено уравнение регрессии следующего вида:
у = 0,0527 + 0,00025Х; + 0,000875Х2 -- 0,00264X5 + 0,00025^4 - 0,000501X5 . (1)
Проводилась проверка адекватности уравнения (1) и значимости коэффициентов. С целью оценки отклонения параметра оптимизации от его среднего значения для каждой строки матрицы планирования вычислялась дисперсия опыта по результатам параллельных опытов и проверялась однородность дисперсий. При равномерном дублировании опытов однородность ряда дисперсий проверялась с помощью критерия Кохрена, представляющего собой отношение максимальной дисперсии к сумме всех дисперсий. Результаты проверки показали однородность дисперсии. Вычислялась дисперсия воспроизводимости 8у . Проверялась
значимость коэффициентов модели сравнением абсолютной величины коэффициентов с доверительным интервалом. Проверка показала, что все коэффициенты уравнения (1) значимы. проверь адекватности уравнения (1) вычислялась дисперсия адекватности. Остаточная дисперсия, или дисперсия адекватности, характеризует рассеяние эмпирических значений уотаосительно расчетных у , определенных по найденному уравнению регрессии. Далее проводилась проверка гипотезы адекватности найденной модели. Проверку этой гипотезы проводили по Б-критерию Фишера V 2
г #
Р о2 •
Если значение для принятого
уровня значимости и соответствующих чисел степеней свободы, то модель считается адекватной. Значение берется из таблицы 12 [5]. В нашем случае Г>=1,77<ГМ=2,4 при 5% уровне значимости, то есть модель адекватна. Следовательно, з^исимость наводо-раживания поверхности от исследуемых факторов импульсной ЭХО с достаточной точностью можно представить уравнением (1). С помощью данной зависимости, во-первых, мо^о опредетать ожидаемый уровень содержания водорода в поверхности при выбранных оптимальных с точки зрения точности формообразования пера режимах обработки. Во-вторых, с ее помощью можно корректировать данные режимы обработки в сторону меньших значений наводоражива-ния, если они не обеспечивают предельно допустимый уровень содержания водорода.
Библиографический список
1. А.с. 655497. СССР, МКИ3 В23Р1/04// Способ электрохимической размерной обработки подвижными электродами /Смирнов Г.В., Бороздин Б.П., Филимошин ВТ., Несмелое Б.М., Шипов Ю.С., Шулепов АЛ. (СССР). №2540215/ 25-08; Заявл. 09.11.77; Опубл. 05.04.79, Бюл. № 13 //Отбытия. Изобретения. 1979. №13.
2. Проничев Н. Д. Разработка методологии и принципов проектирования технологии электрохимической обработки высоко-нагруженных деталей ГТД: Дис. ... докт. техн. мук. - Самара, 1997.
3. Смирнов Г.В., Проничев Н.Д., Богданович В.И., Шитарев ИЛ Наводораживание титановых сплавов при электрохимической размерной обработке - Издательство Самарского научного центра РАН, 1999. - 128 с.
4 Седыкин Ф. В., Никифоров А. В., Бородин В. В., Проничев Н. Д. Методы уменьшения наводораживания титановых сплавов при электрохимической обработке./ Производственно-тежичес^й бюллетень -1977. № 9. - С. 29-32.
5. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.
References
1. Smirnov G.V., Borozdin B.P., Filimo-shin V.G. et al. Electrochemical dimensional machining by removable electrode. USSR pa-
tent 655497, IIC B23P1/04//. Discoveries and Inventions #13, 1979.
2. Pronichev N.D. Methodology and designing principles development for electrochemical machining of high-loaded gas turbine engine components. Thesis for Doctor of Engineering Science. Samara, 1997.
3. Smirnov G.V., Pronichev N.D., Bogda-novich V.I et al. Hydrogen saturation of titanium alloys in electrochemical dimensional machining. Samara: "SSC RSA Publishment", 1997.
4. Sedykin F.V., Nikiforov A.V., et al. Methods of hydrogen saturation reduction in electrochemical machining. Production and technical newsletter №9, 1977. 29-32.
5. Spiridonov A.A. Planning an Experiment in Technological Process Researches. Moscow: "Mashinostroenie", 1981.
HYDROGENIUM SATURATION RESEARCH FOR FINISHING PULSED ELECTROCHEMICAL MACHINING OF TITAN ALLOY (BT9) TJ BLADES
© 2008 G. V. Smirnov Samara State Aerospace University
Hydrogenium saturation of a machined surface for finished pulsed electrochemical machining (ECM) of titan alloy (BT9) TJ blades is an important problem of modern aviation propulsion engineering. The article gives the results technological factors research influence on Hydrogenium saturation of the processed surface. The equation of regression for Hydrogenium saturation and based technological factors of finished pulsed ECM was presented. The fields of the application of the research results are discussed.
Hydrogen saturation, pulse, method, shaping, blade, compressor, alloy
Информация об авторах
Смирнов Геннадий Владиславович, доктор технических наук, профессор кафедры производства двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: электрохимическая обработка деталей ГТД
Smirnov Gennadiy Vladislavovich, Doctor of Engineering Science - professor of Samara State Aerospace University "Mechanical Material Working" department. E-mail: [email protected]. Area of research: electrochemical processing of gas turbine engine components.
