автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование физико-химических процессов удаления покрытия нитрида титана и разработка рекомендаций к ремонтной технологии компрессорных лопаток ГТД

г-

г л

»а.чс;.-

О \Ytjf праВах рукописи

ТИМЕР ГЛЗИНА Татьяна Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НИТРИДА ТИТА НА И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ К РЕМОНТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ КОМПРЕССОРНЫХ ЛОПАТОК ГТД

Специальность 05. 03. 01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стеиепи кандидата технических наук

УФА 1997

Работа выполнена на кафедре "Общая химия" Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научные руководители — дохтор технических наук,

профессор Амирханова Н.А. кандидат химических наук, доцент Невьяниева Р. Р.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Абдуллнн И.Г. кандидат технических наук, доцеет Заршов Р.А.

Ведущая организация — АО "Уфимское моторостроительное

производственное объединение"

Защита состоится _1997 г. на заседании

диссертационного совета Д-063.17.01 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г.Уфа-центр, ул.К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан__1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.

М.Смыслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение в авиадвигателестроении 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 (1ТД).

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 производственныхусловиях.

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 электролитно-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 ТО^ электролита состава: 15% НЁ-; 10%НС1; Ю%ЬШОз с добавлением 0,14% уротропина, обеспечивающего получение поверхности подложки с шероховатостью 0,14-0,16 мкм.

Впервые предложен новый электролит (состав: 20% НР, 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 ТГИ в трехкомпонентных 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 Т1Ы осуществляется по порам покрытия, в которых подложка играет роль катодных, а покрытие -анодных участков, с последующим скалыванием 'ПЫ 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 михронеровностей, что обусловлено изменением физико-химического состояния поверхности подложки и, как следствие, возрастанием ЭДС коррозионных микрогальванопар "покрытие-подложка".

Впервые предложено для удаления покрытия ТШ применять электролитно-плазменный метод (Решение ВИИИГТ1Э о выдаче патента РФ по заявке >6 95104824 от 17.10.96 ), 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 обработай;

-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 ТЖ и его удалению, что связано с наличием функциональных 1рупп - ОН и активным их включением в процессы, протекающие в электролитном катоде. На защиту выносятся:

- способ химического удаления покрытия Т^ с ремонтных лопаток компрессора ГТД из стали ЭИ-961Ш с использованием электролита системы НР-НС1-НЪЮ1 с добавкой уротропина и нового электролита системы НР-НС1-НзР04, 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 экспериментальные 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

1. 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.

2. Установлено, что при удалении ТЧИ 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 Т1Ы с применением ЭПО, позволяющие получить поверхность подложки с На=0,06-0,09 мкм.

4. Предложено использовать значения 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 химическим травлением покрытия по величине электродного потенциала.

5.Установлена возможность тиражирования разработанных рекомендаций для удаления покрытий ТОЗ и со сталей типа 12Х18Н9Т и 38ХА.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается разработанной методикой экспериментальных исследований, сравнением экспериментальных и расчетных данных, полученных 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, 1593); 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).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены физико-химические свойства покрытий из TiN, полученных вакуумно-плазменным методом, оказывающие влияние на эксплуатационные характеристики деталей.

Проведен аналитический обзор различных методов удаления покрытия TiN. Показано, что покрытие может быть удалено химическим и электрохимическим методами. Химический метод связан с использованием электролитов, чаще всего содержащих в своем составе плавиковую кислоту. Концентрация HF достигает 80%, а травление преимущественно проводится при повышенных температурах, что приводит к испарению электролита и затрудняет его утилизацию.

Практически отсутствуют данные по влиянию концентрации основных компонентов существующих электролитов на качество обрабатываемой поверхности, не изучен механизм процессов травления. Все это затрудняет проведение ремонта деталей и получение поверхности, требуемой для повторного нанесения покрытия.

Учитывая усложнение процесса при электрохимической обработке, связанное с наложением внешнего тока, и тем фактом, что аналогичные электролиты используются в химическом процессе, следует отдать предпочтение химическому методу, обеспечивающему простоту технологии.

Изучено состояние вопроса по применению ЭПО деталей. Показано, что ЭПО используется в основном для термонагрева материалов, анодирования и полирования поверхности сталей и сплавов. Метод является достаточно новым и малоизученным, его осуществление связано с использованием высоких напряжений и возникновением парогазовой оболочки на границе "металл-электролит". В зависимости от режимов обработки в парогазовой

оболочке возникают разряды различной мощности, которые приводят к эрозионному воздействию на поверхность детали.

На основании проведенного анализа в соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Изучить закономерности химического удаления покрытия в различных электролитах. Выявить состав электролитов, позволяющих удалять покрытие с отсутствием растравливания поверхности стали.

2.Исследовать зависимости выходных параметров процесса ЭПО (время полного удаления покрытия и шероховатость подложки) от режимов обработки. Определить наиболее эффективные условия удаления покрытия.

3. Изучить механизм процесса удаления покрытия.

4. Разработать технологические регламенты для химического и электролитно-плазменяого удаления покрытий TiN с имплантированным ионами азота подслоем с лопаток компрессора из стали ЭИ-961Ш.

Во второй главе изложены методики экспериментальных исследований. Для проведения экспериментальных работ использовались образцы и лопатки из стали ЭИ-961Ш с покрытием и без покрытия TiN, содержащие имплантированный подслой и без него. Выявление оптимальных составов электролитов травления проводилось с использованием математического планирования по методу Шеффе.

Для гравиметрических измерений скорости удаления покрытия использовались весы марки А-31. В процессе обработки в травильных растворах контролировался электродный потенциал поверхности по стандартной методике. Лимитирующая стадия определялась температурно-кинетическим методом. Топография поверхности исследовалась на микроскопе "Vertival" и "МИМ-8". Шероховатость определялась на установке "Талифер-5".

Коррозионное поведение обрабатываемой поверхности изучалось по поляризационным кривым, полученным как в электролитах травления, так и в 5% NaCI на потенциостате ЕР-220А.

По стандартным методикам проводился химический анализ электролитов травления и шламов на присутствие ионов железа, титана и компонентов электролита. Исследование химического (элементного) состава поверхности металла осуществлено методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС).

Переменная составляющая тока при ЭПО снималась с измерительного сопротивления, пропускалась через фильтр низких частот, записывалась на магнитную лету и через аналого-цифровой преобразователь (Sound Card) вводилась в компьютер.

Для анализа эксплуатационных характеристик после повторного нанесения нитрида титана проводилось измерение адгезии покрытия и михротвердости на микротвердомере ПМТ-3. Определялась усталостная прочность деталей на базе 2-107 циклов на установке МУИ-6000.

Экспериментальные данные обрабатывались методом математической статистики на ЭВМ.

В третьей главе рассматривались особенности химического удаления покрытия ТЧЫ.

С целью выбора базовой части электролитов проведены эксперименты по удалению ТГН в растворах, предлагаемых в научной и патентной литературе. Установлено, что наиболее эффективным раствором травления является электролит системы НР-НО-НЫОз.

Для выявления оптимальной концентрации электролитов, обеспечивающей достаточно быстрое удаление покрытия и получение поверхности с минимальной высотой микронеровностей, с использованием математического планирования по методу Шеффе проведен анализ системы НР-НС1-НЬЮз (рис. 1).

Установлено, что определенные концентрации плавиковой и азотной кислот влияют на возникновение зон активности и торможение процесса удаления покрытия. Показано, что шероховатость поверхности в большой' степени зависит от времени контакта поверхности освобождаемой от покрытия с электролитом. При этом наиболее сильное растравливающее действие проявляет азотная кислота. На основе совместного анализа симплекс-планов по скорости удаления покрытия и шероховатости подложки выявлен наиболее эффективный электролит, содержащий 28 - 32% ОТ; 8 - 12% НС1; 812% ННОз в котором покрытие удаляется со скоростью 0,32 -0,36 мг/см^мин при шероховатости подложки 0,5-0,6 мкм.

С целью уменьшения шероховатости поверхности и улучшения экологических условий обработки, исследована. возможность снижения концентрации НР при сохранении концентраций НС1 и НМОз, имеющих значение 8-12%.

Комплекс исследований по изучению времени полного удаления покрытия, скорости травления, поляризационных кривых, электродных потенциалов и микроструктуры поверхности позволил установить, что наиболее эффективным является электролит содержащий НР менее 15%.

Для улучшения чистоты обрабатьжаемой поверхности с учетом установленного факта по растравливающему действию на подложку азотной кислоты, была проведена её замена в электролите на фосфорную кислоту применяемую для полирования сталей в некоторых кислотных растворах.

на кчо

ИС1, 1(0

ндю3 ю го 50 чо ¿о № ныол го

50

40 50 ИР

Ш, %]

сечение поверхностен отклика« повремени (мин.)

сечение поверхностей отклика по шероховатости (мкм)

Рисунок 1-Влнянне соотношения концентраций кислот в

трехлеокпонентной системе на время полного удаления покрыли в шероховатость поверхности подложиз.

сечение поверхностей отклика сечение поверхностей отклика

повремени (мин.) по шероховатости (мкм)

Рисунок£-Вяияние'соотношения коицсятрацнй^сксяот Б

треххомдонентной системе на время полного удаления покрытия и шероховатость поверхности подложки.

Сопоставительный анализ результатов исследований с использованием элементов системы НР-НС1-НЫ0з и НР-НС1-ЩРО<1 позволил сделать вывод об исчезновении на симплекс-плане зоны активности процесса удаления покрытия, связанной с большим содержанием НМОз и зоны пассивности при определенном соотношении НМОз и НИ (рис.2). Установлено также, что фосфорная кислота практически не расходуется, а ее применение способствует пассивации поверхности стали. Отсутствие сильного окислителя НЫОз приводит к увеличению длительности процесса и снижению шероховатости. Корректировка раствора по концентрации НР, с сохранением содержания НС1 и Н3РО4, позволила снизить её концентрацию до 20% и установить наиболее эффективный раствор, содержащий 20% НР; 10% НС1; 10% Н3ГО4 в котором покрытие удаляется за 30 минут, с обеспечением шероховатости поверхности 0,12-0,18 мкм.

Для снижения шероховатости поверхности при обработке ремонтных деталей в электролите системы НР-НС1-НЫОз проведен комплекс исследований по изучению влияния ингибиторов: сульфита и фторида натрия, уротропина, тиомочевины, перекиси водорода. Установлено, что наилучшие ингнбирующие свойства проявляет уротропин, при добавлении которого в количестве 0,14% в 2-3,5 раза снижается шероховатость поверхности стали, а скорость удаления покрытая не изменяется.

Для выявления механизма протекания процесса проведены исследования по изучению закономерностей изменения скорости процесса и физико-химического состояния поверхности в различные интервалы времени обработки. Установлено, что процесс травления в исследуемых растворах начинается по порам покрытия, в которых подложка играет роль катодных, а покрытие - анодных участков. Возникающие при этом механические растягивающие напряжения приводят к скалыванию отдельных участков покрытия с постепенным их дотравливанием. Освобождающиеся участки стали пассивируются за счет образования фторидов, фосфатов или действия уротропина. Замедленной стадией является химическая, обусловленная взаимодействием покрытия с компонентами раствора, так как расчет энергии активации температурно-кинетическим методом показал, что ее величина в активной и пассивной областях превышает 16 кДж/моль.

Исследовалось влияние толщины нитрида титана на процесс удаления покрытия и состояние поверхности подложки. Установлено, что в интервале толщин от 3 до 12 мкм скорость удаления покрытия незначительно возрастает, а с 12 до 18 мкм происходит ее снижение, что связано с влиянием пористости Т1Ы и наличием механических напряжений на границе "покрытие-подложка".

Изучалось влияния имплантации подложки ионами азота на процесс удаления покрытия. Показано положительное действие имплантации на скорость съема ТШ, что связано с различием электродных потенциалов покрытия и подложки на имплантированных и неимплантированных деталях. "Установлено, что шероховатость имплантированной подложки после удаления покрытия характеризуется наименьшими значениями: 0,14 и 0, соответственно.

В четвертой главе рассмотрены закономерности ЭПО покрытия ТШ. Электрический ток, пропущенный через электролит в условиях высоких напряжений в интервале от 150 В до 600 В нарушает нормальный электролиз и на электроде меньшей площади возникает явление, сопровождающееся интенсивным выделением тепла с образованием парогазовой оболочки. Так как сопротивление электролита по сравнению с сопротивлением данной оболочки мало, то можно утверждать, что практически все тепло выделяется в парожидкостном слое, прилегающем к поверхности анода. В этом состоянии часть тепловой энергии передается жидкости, часть затрачивается на испарение, а небольшое количество после разогрева анода, отводится через электрод в окружающую среду.

На основе экспериментальных данных по измерению температуры анода, сооставляющей не более 120 °С, установлено, что процесс происходит в области пузырькового кипения. Исходя из этого, для расчета параметров процесса (тока и температуры электролита) использованы известные теоретические зависимости, характеризующие теплообмен при данных условиях и представленные уравнениями, где С>1 - количество тепла, израсходованного на поддержание кипения; (¿2-количество тепла, переданного электролиту; СЬ - количество тепла, идущего на нагрев анода; (^в -количество тепла, выделяющегося в парогазовой оболочке:

(^=К1ХПДТ1.25 /(р,, т, ки Р„ЛЬ, к!, Ср, о , г) (I ),

<32=К2Х°." ЩТ0ГО-Т-да)и5/(^, X, Р1, Ср, $ , 111, р) (2 ),

(^ЧКшГ >:П-(ТПго-Тая) (3),

<2в = I- и-1 (4 ),

С>в= С^-нС^г +(¡>3 . (5),

где, р1, рв - плотности электролита и пара, кг/м1; Х1 - коэффициент теплопроводности электролита, Вт/(и К); т)! - динамический коэффициент вязкости, м2/с; ст - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; ДТ - перегрев электролита, К; АЬ - удельная теплота парообразования, Дж^кг; Ь - коэффициент температуропроводности, м2/с; Ср - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); г - радиус равновесия пузыря, м; Тпго ,Тэ„ ,Тан - температура парогазовой оболочки, электролита и анода К; х - глубина погружения образца, м; II-

и

периметр образца, м; £ - температурный коэффициент объемного расширения, К1; Кап - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); К1, К2-константы, определяемые внешними условиями.

На основании проведенных расчетов были получены закономерности изменения средней величины тока в ходе обработки и температуры электролига, являющихся наиболее значимыми параметрами процесса, характеризующими время установления парогазовой оболочки и ее толщину. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов подтвердили адекватность предложенной модели.

В парогазовой оболочке, вследствии большой напряженности электрического поля, происходят многочисленные разряды, различающиеся по мощности и частоте следования, что подтверждается изучением осциллограмм.

На основании представлений о влиянии напряжения и температуры электролита на толщину парогазовой обоолочки, полученных из тепловой модели, и экспериментальных данных по изучению физико-химического состояния поверхности и химического анализа растворов в различные стадии обработки деталей в электролите, содержащем 5%-ный раствор сульфата аммония, установлен механизм удаления Т1М. В начальной стадии обработки в условиях тонкой парогазовой оболочки на аноде происходит электрохимическое окисление "ПЫ с образованием ТЮг. Известно, что оксид титана, обладает односторонней проводимостью, запирая ток при анодном включении. Разряды, возникающие в этот период обладают большой частотой и малой мощностью. Рыхлая пленка оксида титана, в условиях возрастания толщины парогазовой оболочки, что установлено по изучению характера изменения среднего значения тока, способствует локализа-ции разрядов на неровностях поверхности и увеличению их мощности, что приводит к интенсивному удалению покрытия. Начало этой стадии совпадает с моментом установления теплового равновесия в системе. В последующем все более возрастает площадь участков, освобожденных от покрытия, разряды все более выравниваются по амплитуде и снижается их мощность, при этом наблюдается эффект полирования.

На основании изучения влияния природы электролитов, представляющих растворы аммонийных солей установлено, что наиболее эффективным электролитом является раствор сульфата аммония. При использовании аммонийных солей азотной, соляной, щавелевой, уксусной, фосфорной и молибденовой кислот процесс обработай затруднен вследствии образования на поверхности продуктов реакции, тормозящих его протекание.

Проведены эксперименты по изучению влияния напряжения, концентрации и исходной температуры электролита на время полного удаления покрытия и шероховатость поверхности. Показано, что вышеуказанные факторы влияют на формирование парогазовой оболочки, ее толщину и возникающие в ней разряды.

Выявлены наиболее эффективные условия проведения ЭПО, отвечающие напряжению 210-230 В, начальной температуре электролита 65 - 75 °С при концентрации сульфата аммония 4-6 %. В указанных условиях покрытие удаляется за 15 минут и шероховатость поверхности подложки составляет 0,11 ...0,15 мхм.

Исследованы возможности интенсификации процесса путем введения в раствор электролита органических веществ класса спиртов, гликолей н этаноламинов. Экспериментально установлено положительное влияние функциональной группы ОН% углеводородного радикала, амино-группы и пространственной ориентации молекул. Выявлено, что при наиболее эффективных добавках: 3% этилового спирта; 0,5% глицерина; 0,5% моноэтаноламина в 1,4-2,0 раза повышается интенсивность съема покрытия и в 1,8-2,5 раза уменьшается шероховатость подложки. Наилучшие результаты получены при использовании этилового спирта, что связано с насыщением парогазовой оболочки парами С2Н5ОН в которой повышается вероятность осуществления разрядов.

В пятой главе рассматривались эксплуатационные характеристики деталей после удаления покрытия нитрида титана химическим и электролшно-плазменным методами и повторного его нанесения. Измерялись коррозионная стойкость и микротвердость Т^ и подложки, адгезия покрытия, усталостная прочность, величина остаточных напряжений и шероховатость поверхности.

Таблица 1 - Некоторые характеристики исходной поверхности и

поверхностей после ремонта различными методами.

Вид поверхности шероховатость подложки до нанесения покрытия Я.а, мкм ток коррозии в 5% КаС1,1, мА/см2 микротвердость по покрытию, Н1Ш15 адгезия, покрытия %

1 2 3 4 5

Исходная (контрольный образец) 0,15-0,20 13,95 65-69 14

После ремонта химическим методом в электролите НР-НС1-НЫОз с добавлением уротропина 0,19-0,21 7,85 71-75 10

1 2 3 4 5

После ремонта химическим методом в электролите НР-НС1- Н3РО4 0,10-0,11 8,43 68-70 14

После ремонта электролитно-плаз-менным методом 0,06-0,09 13,70 73-82 4

Установлено, что все эксплуатационные характеристики после удаления и повторного нанесения нитрида титана находятся на уровне не ниже аналогичных для исходной поверхности. Наибольшая коррозионная стойкость как подложки, так и покрытия характерна для поверхности обработанной химическим методом в растворе 15%НР; 10%НС1; 10%НМОз; 0,14%уротропина, что связано с удалением деформированного при механической обработке верхнего слоя поверхности стали. Максимальной микротвердостыо обладает поверхность после ЭПО, что обусловлено наличием упрочненного слоя за счет действия микроразрядов.

В шестой главе представлены рекомендации по ремонтной технологии удаления покрытия ТШ.

Съем покрытия химическим методом предусматривает очистку поверхности, травление и нейтрализацию по стандартной методике. Описывается метод приготовления растворов. Установлено, что вырабатываемость электролитов составляет соответственно 4 и 10 лопатки/л в растворах 15%НР; 10%НС1; 10%НШз; 0,14%уротропина и 12%НР; 10%НС1; 10%Н 3РО4 соответственно. Представлена схема нейтрализации отработанных растворов.

ЭПО включает обезжиривание деталей, удаление покрытия промывку и сушку. Учитывая результаты исследования состава электролита после обработки детали, рекомендовано при регенерации раствора производить отфилыровьшание шламов и корректировку по рН добавлением 0,1 млМШОНна 1 л раствора.

Разработанные электролиты и методы удаления покрытия опробованы для удаления нитридов титана и циркония с изделий бытового и медицинского профиля из сталей 38ХА и 12Х18Н9Т. Показано, что предлагаемые технологические рекомендации могут успешно применяться в производственных условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показана возможность удаления покрытий с ремонтных изделий из стали ЭИ-961Ш химическим методом с использованием раствора, содержащего 15% НР; 10% НС1; 10% НМОу, 0,14% уротропина и нового электролита состава: 20% НР; 10% НС1; 10%

Н3РО4 (решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ о выдаче патента по заявке № 95110172 от 30.03.96), позволяющие осуществлять съем покрытия при комнатной температуре за 20-35 минут с получе-нием поверхности с шероховатостью не более 0,11 ...0,16 мкм;

- установлен механизм химического удаления покрытия, связанный с начальным травлением по порам и действием микрогальванопар "покрытие-подложка", в которых подложка играет роль катодных, а покрытие-анодных участков, последующим сливанием растравленных пор, скалыванием покрытия и пассивацией поверхности за счет образования фосфатных пленок или действия уротропина;

- выявлен нелинейный характер влияния толщины на интенсивность его съема, связанный с уменьшением пористости и возрастанием остаточных напряжений на границе "покрытие-подложка";

- установлено, что покрытие с имплантированной подложки удаляется с большей скоростью и поверхность стали характеризуется низкой шероховатостью.

2. Впервые использован электролитно-плазменный метод удаления покрытия с ремонтных изделий, позволяющий совместить в едином процессе съем покрытия и полирование поверхности (решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ о выдаче патента по заявке №95104824 от 17.10.96);

- предложена схема распределения тепла в системе при ЭПО, позволяющая рассчитать изменение тока и температуры электролита в зависимости от напряжения, времени обработки и начальной температуры раствора, характеризующих установление и изменение толщины парогазовой оболочки;

- показана возможность использования в качестве характеристики процесса переменной составляющей тока, отражающей разрядные процессы в парогазовой оболочке;

- установлено, что механизм процесса удаления Т1Ы, связан с начальным электрохимическим окислением поверхности с образованием оксида титана и последующим съемом покрытия за счет эрозионного действия электрических разрядов, возникающих в парогазовой оболочке;

- установлено влияние на процесс ЭПО добавок класса спиртов, гликолей и этаноламинов за счет действия функциональной группы ОН, радикала и пространственной ориентации молекул, которые в 1,42,0 раза повышают интенсивность съема покрытия и в 1,8 - 2,0 раза уменьшают шероховатость поверхности;

- выявлены оптимальные электролиты и режимы процесса, позволяющие при напряжении 210-230В и начальной температуре электролита 65-75 °С, проводить полное удаление ТО1 в 5%-ном растворе сульфата аммония с добавлением 3% спирта (0,5% глицерина или 0,5%

моноэтаноламина) с получением поверхности, характеризующейся шероховатостью 0,06—0,09 мкм.

3. Установлено, что характеристики поверхности и деталей после ремонта удовлетворяют требованиям, предъявляемым к лопаткам компрессора ГТД.

4. Разработаны и апробированы в производственных условиях технологические регла менты по удалению покрытия TiN химическим и электролитно-плазменным методами.

5.Установлена возможность тиражирования предлагаемых методов и технологий щгя удаления покрытий TiN и ZrN со сталей 12Х18Н9Т и 38ХА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[.Амирханова НА., Невьянцева Р.Р., Будилов В.В., Клыкова Т.М. Оптимизация нанесения покрытия из нтрида титана на сплаве ЭИ-961Ш.//4-Я Европейская конференция "Восток-Запад" "Новые материалы и технологии". Тезисы докладов. С.-Петербург. РАН. 1993-с. 103.

2. Смыслов A.M., Амирханова НА., Невьянцева P.P., Клыкова Т.М. Влияние имплантации сплава ЭИ-961Ш на коррозионное поведение поверхности с покрытием из нитрида титана.// ^Межнациональное совещание "Радиационная физика твердого тела". Тезисы докладов.Севастопольггехн.уннверситет. 1994- с.63.

3. Клыкова Т.М., Парфенов Е.В. Изучение влияния природы ингибиторов на процесс химического травления покрытия ншрида титана. // Всероссийская молодежная НТК 'Технология и оборудование современного машиностроения". Тезисы докладов. Уфа:УГАТУ.1994-с.115.

4.Тимергазина Т.М., Парфенов Е.В. Изучение некоторых особенностей процесса элекгролитно-плазменной обработки лопаток ГТД. II Молодежная НТК "XXI Гагаринские чтения". Тезисы докладов. Москва-.МГАТУ. 1995-с. 93-94.

5. Тнмергазина Т.М., Парфенов Е.В. Изучение влияния органических добавок на процесс электролитно-плазменного удаления покрытия TiN с лопаток ГТД// Всероссийская НТК "Королевские чтения". Тезисы докладов. Самара: СГАУ. 1995-с. 42-43.

6.Тимергазина Т.М., Невьянцева Р.Р. Закономерности коррозионного поведения покрытия TiN различной толщины при его химическом удалении// Молодежная НТК "XXII Гагаринские чтения". Тезисы докладов. Москва:МГАТУ .1996-с. 93-94.

7. Амирханова НА., Невьянцева P.P., Тимергазина Т.М., Парфенов Е.В. Изучение влияния напряжения источника на процесс электролитно-плазменного удаления покрытия// Всероссийская НТК

"Прогрессивные технологии в машиностроении". Тезисы докладов. Наб.Челны: Камский политехнический институт. 1996-с. 95.

8. Тимергазина Т.М. Влияние электролитно-плазменной обработки на эксплуатационные свойства лопаток ГТД. Я Всероссийская НТК "Прогрессивные технологии в машиностроении". Тезисы докладов. Наб.Челны: Камский политехнический институт. 1996-с. 94.

9. Смыслов А.М., Амирханова -НА., Невьянцева Р.Р., Тимергазина Т.М. Особенности ремонта лопаток ГТД с покрытием нитрида титана с имплантированным подслоем.// IV Всероссийская конференция по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Тезисы докладов. Томск: Томский политехнический университет. 1996-с. 397-393.

10. Амирханова НА., Невьянцева P.P., Тимергазина Т.М., Белоногов ВА. Влияние температуры на процесс электролитно-плазменного удаления покрытия. Российская НТК 'Теория и технология электрохимической обработки". Тезисы докладов. Уфа:УГАТУ. 1996-С.37.

11. Амирханова НА., Невьянцева P.P., Тимергазина Т.М. Закономерности изменения электрохимических характеристик поверхности при удалении покрытия. Российская НТК 'Теория и технология электрохимической обработки". Тезисы докладов. Уфа:УГАТУ. 1996-С.38.

12. Амирханова НА., Невьянцева P.P., Тимергазина Т.М., Хайдарова Х.М. Влияние природы и состава электролита на удаление покрытия' нитрида титана. // Оптимизация процессов обработки конструкционных материалов. Межвуз.тематич.науч.сб. Уфа:УГАТУ. 1996-C.121-12.7.

13. Тимергазина Т.М., Парфенов Е.В. Математическое и программное обеспечение обработки экспериментальных данных по токовым характеристикам процесса электролитно-плазменного удаления покрытия.// 3-я Всероссийская научная конференция "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" Тезисы докладов. Таганрог.ТГРУ. 1996-с. 196.

Всего по теме диссертации опубликовано 23 работы.