Электролитно-плазменное полирование деталей, изготовленных методом селективного лазерного сплавления из металлопорошковой композиции алюминиевого сплава марки ВАС1

Введение

Технологии аддитивного производства находят широкое применение в различных отраслях промышленности [1–5], в частности в авиационной для изготовления деталей двигателей, крыльев, салона и других частей самолетов. В связи с этим необходимы современные технологии обработки деталей, полученных методом аддитивного производства [6–8].

Для уменьшения уровня шероховатости поверхности деталей, изготовленных методом селективного лазерного сплавления (СЛС) из металлопорошковых композиций (МПК), применяют методы механического, химического и электрохимического полирования.

Механическое полирование поверхности крупногабаритных деталей проводят абразивными кругами и лентами с использованием полировальных паст, включающих абразивный компонент (порошки оксидов алюминия, железа, хрома), связывающий агент (воскоподобные вещества) и различные поверхностно-активные вещества для повышения смачиваемости поверхности. Полирование мелких деталей проводят в галтовочных барабанах, вибрационных камерах с абразивными материалами (керамические гранулы, стальная дробь, стеклянные шарики). Для интенсификации процесса в рабочее пространство вводят различные жидкие химические добавки (мыла, поверхностно-активные вещества, щелочные и кислотные растворы), способствующие удалению полировального шлама с поверхности деталей.

Механическое полирование в зависимости от выбранного метода позволяет получить уровень шероховатости поверхности R_a от 1,6 до 0,05 мкм [9].

Методы механического полирования достаточно просто реализовать, однако им присущи высокая трудоемкость, значительные временны́е и материальные затраты. При этом возможно изменение физико-механического состояния поверхности за счет внедрения частичек абразива в основу.

Для химического полирования обычно используют растворы щелочей или неорганических кислот. Шероховатость поверхности уменьшается в результате химического растворения неровностей. Одновременно с травлением материала основы происходит оксидирование. Наилучшее качество поверхности после полирования достигается при равенстве скоростей оксидирования и травления материала основы [10].

Основные преимущества метода химического полирования: применимость для обработки деталей с развитой геометрической формой (наличие отверстий, полостей, углублений, пазов и т. п.), низкая трудоемкость процесса, не требуется специализированного оборудования. При простоте реализации метод имеет несколько существенных недостатков: трудности с корректированием растворов из-за их быстрой выработки; токсичность для персонала и агрессивность компонентов, входящих в состав растворов, по отношению к материалу оборудования; возможное образование питтингов на обрабатываемой поверхности.

Для повышения производительности и уменьшения трудоемкости процесса используют электрохимическое полирование. Обработку, как правило, проводят при постоянном напряжении от 10 до 20 В в электролитах на основе неорганических кислот, при этом изделие подключают к положительному полюсу источника питания. Изменение шероховатости и формирование рельефа поверхности, уменьшение высоты неровностей и их сглаживание происходят за счет анодного электрохимического растворения материала, в результате чего повышаются уровни химических и механических свойств обработанной поверхности: коррозионная стойкость, износостойкость, упругость [10].

Метод электрохимического полирования имеет недостатки и достоинства метода химического полирования, но обладает рядом существенных отличий: не применим для обработки внутренних полостей деталей, в которые невозможно поместить дополнительный электрод, глубоких отверстий, пазов, впадин; требуется специализированное оборудование (источники питания; системы улавливания взрывоопасных веществ (кислорода и водорода), образующихся в процессе работы).

Разновидностью метода электрохимического полирования деталей, изготовленных из металлических и полупроводниковых материалов, является метод электролитно-плазменного полирования поверхности. Обработку проводят при рабочих напряжениях >200 В в электролитах на основе неорганических солей. При высоких напряжениях на внешней поверхности детали, погруженной в электролит, образуется ионизированный парогазовый слой. Высокая напряженность (до 10⁶ В/м) электрического поля в парогазовом слое приводит к образованию на выступах поверхности электрических разрядов, которые оплавляют выступы и оказывают гидродинамическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Результатами этих воздействий, помимо анодного растворения материала детали, являются очистка от загрязнений различного рода и полирование поверхности с достижением величины шероховатости поверхности R_a до 0,05 мкм [11, 12].

Метод электролитно-плазменного полирования отличается от традиционных методов химического и электрохимического полирования использованием в качестве основного компонента электролитов неорганических солей. Такие электролиты менее токсичны по сравнению с кислотными и щелочными, просты в приготовлении, подлежат корректированию в процессе работы. Производительность электролитно-плазменного полирования в 3–4 раза выше по сравнению с механическим полированием и в 5–6 раз – по сравнению с электрохимическим полированием [13]. Как и электрохимическое полирование, электролитно-плазменное полирование не подходит для обработки внутренних полостей деталей, глубоких отверстий, пазов, впадин и требует больших затрат электрической энергии и специальных источников тока.

Данная работа направлена на разработку технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей, изготовленных из МПК алюминиевого сплава ВАС1 методом СЛС, который является наиболее производительным и менее токсичным по сравнению с традиционными технологиями полирования. Приведены анализ научно-технической литературы в области электролитно-плазменного полирования деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, и результаты электролитно-плазменного полирования образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Использованы образцы, изготовленные методом СЛС из МПК алюминиевого сплава ВАС1 в виде параллелепипедов размером 12×12×63 мм. Состав сплава, из которого получены образцы, приведен в табл. 1. Плотность сплава составила 2,66 г/см³.

Таблица 1

Химический состав сплава марки ВАС1*

Электролитно-плазменное полирование образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1 проводили на установке, разработанной в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Установка состоит из электролитической ванны, системы поддержания температуры и фильтрации электролита, источника питания, блока управления установкой и может быть использована для проведения химических, электрохимических и электролитно-плазменных процессов.

Уровень шероховатости поверхности R_a измеряли с помощью портативного контактного профилографа-профилометра, который осуществляет в автоматическом режиме обсчет получаемой профилограммы в пределах базового участка и определяет числовое значение искомого параметра.

Результаты и обсуждение

В работе [13] исследована возможность электролитно-плазменного полирования широкой номенклатуры деталей из алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов (АМГ, Д1, Д16, Д16П, АМЦ, АД33, АД35) в электролитах на основе неорганических солей (сульфата аммония, хлоридов аммония, железа (III) и калия) c массовой долей основного компонента не более 10 % и добавками соляной и щавелевой кислот. Полирование проводили в нагретом до температуры от 85 до 95 °С электролите при напряжении от 280 до 320 В. На основании проведенных исследований предложены три состава электролита для полирования алюминиевых сплавов, в которых достигается высокое качество обработки, поверхность приобретает блеск. Составы помимо воды и 2 % щавелевой кислоты содержат по 4 % хлоридов аммония, железа (III) и калия соответственно.

В работе [14] для электролитно-плазменного полирования алюминия и его сплавов предложено использовать электролит на основе хлорида калия с добавками щавелевой кислоты и глицерина. Температура электролита составила от 80 до 90 °С, рабочее напряжение – от 250 до 350 В. Содержание компонентов в электролите, % (по массе):

В результате полирования деталей из деформируемого алюминиевого сплава АД35 при температуре электролита 80 °С и рабочем напряжении 320 В в течение 2 мин получена блестящая полированная поверхность с уровнем шероховатости R_a от 0,11 до 0,016 мкм.

В работе [15] исследовано влияние состава электролита на качество электролитно-плазменного полирования сложнопрофильных изделий из алюминиевого сплава Д16 при рабочем напряжении 300 В и температуре электролита от 80 до 90 °С. Для приготовления электролитов использовали следующие вещества: фториды лития, натрия, кальция, гидрокарбонат натрия, гидроксид натрия, цитрат натрия, Трилон Б, нитраты натрия и аммония, тиосульфат натрия, сульфит натрия, сульфат аммония, фосфат натрия.

Установлено, что полирование сплава Д16 происходит в растворе на основе нитрата натрия, в остальных случаях наблюдаются травление, образование покрытия на поверхности или отсутствие реакций.

Для улучшения качества обработки предложен трехкомпонентный раствор на основе нитрата калия, содержащий следующие компоненты, % (по массе):

Наилучшие результаты полирования получены при обработке деталей в предложенном электролите при рабочем напряжении 320 В. Значение шероховатости поверхности R_a после обработки составляет 0,189 мкм.

На основе анализа и обобщения полученной информации в данной работе предложено проводить электролитно-плазменное полирование деталей из МПК алюминиевого сплава ВАС1 при рабочем напряжении от 250 до 380 В, температуре электролита от 40 до 90 °С. В качестве основных компонентов электролитов использовали хлорид аммония, хлорид железа (III), хлорид натрия или калия, нитрат натрия или калия, в качестве добавок – соляную кислоту, глицерин, щавелевую и лимонную кислоты соответственно.

Электролиты на основе хлоридов аммония, железа, натрия или калия, а также на основе нитрата натрия или калия, которые обычно используют для электролитно-плазменного полирования деталей из алюминия и его сплавов, не пригодны для полирования образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1. В этих электролитах происходит травление поверхности образцов с отложением травильного шлама черного цвета. Такой результат, по-видимому, обусловлен высоким содержанием кремния в материале основы – от 8,5 до 11,5 % (по массе).

Экспериментальным путем подобран базовый компонент электролита (концентрация 30 г/л) и проведено электролитно-плазменное полирование образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1 при рабочем напряжении 340 В и температуре электролита до 85 °С. Результатом обработки стало выглаживание поверхности образцов, поверхность стала светлой, блеск отсутствовал. Изменения значения параметра шероховатости поверхности R_a в зависимости от продолжительности процесса электролитно-плазменного полирования образцов из МПК сплава ВАС1 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Шероховатость поверхности R_a образцов

из металлопорошковой композиции сплава ВАС1

Внешний вид образцов из МПК сплава ВАС1 до и после электролитно-плазменного полирования представлен на рисунке.

Проведено электролитно-плазменное полирование поверхности образцов из МПК сплава ВАС1 в электролитах с концентрацией основного компонента 10, 20, 30, 40 и 50 г/л при рабочем напряжении 340 В и температуре электролита до 85 °С (табл. 3).

Внешний вид образцов из металлопорошковой композиции сплава ВАС1 до (а, в) и после
(б, г) электролитно-плазменной обработки образцов 1 (а, б) и 2 (в, г)

Таблица 3

Результаты электролитно-плазменного полирования образцов

из металлопорошковой композиции сплава ВАС1

Электролиты с концентрациями основного компонента 10 и 20 г/л не обеспечивают удовлетворительного качества обработки поверхности образцов из МПК сплава ВАС1. В электролитах наблюдается нестабильность процесса, выражающаяся в частых или периодических его прекращениях, что обусловлено, по-видимому, недостаточной электропроводностью электролитов с низкой концентрацией.

Удовлетворительное качество обработки достигается в электролитах с концентрациями основного компонента 30 и 40 г/л. Обработанная поверхность светлая выглаженная, процесс стабилен. При концентрации электролита 50 г/л качество обработки снижается, на поверхности образца имеются локальные участки с неудовлетворительным качеством.

Для дальнейшего изучения влияния добавок, рабочего напряжения и температуры электролита в процессе электролитно-плазменного полирования на качество и количественные характеристики, шероховатость поверхности образцов из МПК сплава ВАС1 использованы электролиты с концентрациями основного компонента от 30 до 40 г/л. Результаты исследований будут отражены во второй части статьи.

Заключения

Приведен обзор традиционных методов полирования поверхности, которые применяют для обработки деталей, изготовленных методом СЛС из МПК. С учетом выявленных недостатков рассмотренных методов предложен более производительный и экологичный метод электролитно-плазменного полирования поверхности, который является разновидностью метода электрохимической обработки.

Приведены результаты исследований, посвященных разработке состава электролита для электролитно-плазменного полирования деталей, изготовленных методом СЛС из МПК алюминиевого сплава марки ВАС1. Электролиты на основе хлоридов аммония, железа, натрия или калия, а также на основе нитратов натрия или калия не пригодны для полирования образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1. В этих электролитах происходит травление поверхности образцов с отложением травильного шлама черного цвета.

Экспериментальным путем подобран базовый компонент электролита и проведено электролитно-плазменное полирование образцов из МПК алюминиевого сплава ВАС1 в предложенном электролите в течение 30 мин. В процессе обработки происходит выглаживание поверхности образцов, она становится светлой, блеск отсутствует, уровень шероховатости поверхности R_a после обработки уменьшается не менее чем в 5 раз.

Изучено влияние концентрации основного компонента на результат электролитно-плазменного полирования образцов из МПК сплава ВАС1. Установлено, что удовлетворительное качество обработки достигается в электролитах с концентрациями основного компонента 30 и 40 г/л.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).