中國粉體網(wǎng)訊 近日，由北京航空材料研究院實(shí)施的航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞壽命試驗(yàn)突破5萬小時，標(biāo)志著我國高端裝備制造技術(shù)取得全新突破。據(jù)了解，此次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵構(gòu)件是由我國自主研制的航空發(fā)動機(jī)主軸承，在試驗(yàn)器上等效加速試驗(yàn)疲勞壽命5萬小時未失效，更為重要的是，這項(xiàng)試驗(yàn)也創(chuàng)造了我國新的紀(jì)錄。
軸承作為工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，素有“裝備的關(guān)節(jié)”之稱。軸承性能的優(yōu)劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)，航空航天技術(shù)對高質(zhì)量軸承的需求尤其迫切。
在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，軸承材料和技術(shù)始終占到90%～95%以上�？梢哉f，軸承技術(shù)代表著發(fā)動機(jī)極限轉(zhuǎn)速、耐溫能力和可靠性水平。軸承材料主要是指高鉻抗疲勞軸承鋼、耐高溫工具鋼、高強(qiáng)度齒輪軸承一體化鋼等軸承材料，航空技術(shù)的發(fā)展對高溫、高速、高可靠性軸承及材料的的需求也越來越高，由此也促進(jìn)了軸承材料技術(shù)的發(fā)展。
航空陶瓷軸承材料
陶瓷軸承研制開發(fā)的最初目標(biāo)是提高航空航天國防裝備軸承的極限性能。瑞典SKF、德國Schaeffler等國際著名軸承公司都開發(fā)出高水平的陶瓷軸承技術(shù)和產(chǎn)品，特別是熱等靜壓燒結(jié)氮化硅陶瓷軸承為高端裝備技術(shù)的發(fā)展提供了核心技術(shù)支撐。經(jīng)過50多年的研究和積累，Si3N4陶瓷軸承已經(jīng)應(yīng)用在直升機(jī)主傳動裝置、航空APU、飛機(jī)附件傳動、導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)和航天衛(wèi)星上，已成為高端制造裝備中高速和高功率主軸的標(biāo)配軸承。
德國FAG陶瓷軸承
近年來，隨著陶瓷軸承在高端裝備領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，材料對軸承質(zhì)量的影響得到了廣泛重視，ISO26602:2009《Fine ceramics(advanced ceramics,advanced technical ceramics)—Silicon nitride materials for rolling bearing balls》對滾動軸承氮化硅陶瓷材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、彎曲強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性、顯微結(jié)構(gòu)、材料分級等性能指標(biāo)給出了明確的測量方法和范圍，ASTM F 2094/F2094M-08《Standard Specification for Silicon Nitride Bearing Balls》除了對材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)明確要求外，還明確規(guī)定了氮化硅陶瓷球的化學(xué)成分、表面質(zhì)量、檢測方法、幾何參數(shù)以及等級用途等。
航空陶瓷軸承的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)
為了充分發(fā)揮陶瓷新材料的優(yōu)勢，陶瓷軸承往往需要突破鋼軸承的極限性能，如高速性能、高溫性能、長壽命質(zhì)載和高可靠性等。因此與通用滾動軸承設(shè)計(jì)不同，在設(shè)計(jì)陶瓷軸承時，除了需要設(shè)計(jì)基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需要面向工況開展表面摩擦學(xué)性能的匹配性設(shè)計(jì)、材料匹配性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動態(tài)性能設(shè)計(jì)、熱特性設(shè)計(jì)、潤滑性能相容性設(shè)計(jì)和工作性能設(shè)計(jì)等，但設(shè)計(jì)理念和結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
在航空陶瓷軸承材料匹配性設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)考慮軸承的抗疲勞能力匹配問題，過大的硬度差會導(dǎo)致軸承元件的過早疲勞和不對稱疲勞。FAG研究結(jié)果顯示，Si3N4陶瓷與M50NiL鋼以及Cronidur 30鋼組成的混合式陶瓷軸承性能匹配最佳。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的長期研究結(jié)果則表明，通過材料配方與組分設(shè)計(jì)及軸承鋼表面的2次改性處理技術(shù)，將陶瓷元件的硬度從高向低調(diào)整，將軸承鋼滾道承載區(qū)域改性和表面改性適當(dāng)提高，其壽命相應(yīng)比全鋼軸承延長1.5～2倍。
作為航空軸承的新型材料，航空陶瓷軸承還要經(jīng)過大量的適應(yīng)工作狀況的試驗(yàn)。壽命驗(yàn)證試驗(yàn)是最基本的試驗(yàn)，還需要完成高速試驗(yàn)、極限溫升試驗(yàn)、抗污染能力試驗(yàn)、斷油試驗(yàn)和葉片脫落沖擊試驗(yàn)等。經(jīng)過大量的試驗(yàn)可以得到清晰的邊界的各種參數(shù)，并為陶瓷軸承的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
航空陶瓷軸承的制造技術(shù)與質(zhì)量控制技術(shù)
盡管Si3N4陶瓷在所有的工程陶瓷中具有優(yōu)異的綜合性能，但與軸承鋼相比，其低韌性、高硬度和中等彎曲強(qiáng)度依然是陶瓷材料對損傷和缺陷敏感的致命弱點(diǎn)，因而低缺陷毛坯、低損傷加工工藝和無損檢測是保障陶瓷軸承質(zhì)量一致性和工作可靠性的最直接手段，即使是采用熱等靜壓制造的氮化硅陶瓷滾動體亦如此，因此，高可靠性的陶瓷軸承需要100%的無損探傷來保證。陶瓷無損檢測技術(shù)分為毛坯檢測技術(shù)和成品檢測技術(shù)，其中聲發(fā)射共振技術(shù)和激光材料評價技術(shù)在高端應(yīng)用中具有良好的前景。
氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷軸承中重要的組成部分，氮化硅陶瓷球的滾動接觸疲勞是衡量氮化硅陶瓷軸承性能的一個重要的性能指標(biāo)，表面氣孔數(shù)量、氣孔尺寸、氣孔分布均勻性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球殘余應(yīng)力及潤滑條件均對氮化硅陶瓷球滾動接觸疲勞強(qiáng)度有較大影響。
氮化硅陶瓷球的制造過程可以分為四個階段。第一階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結(jié)助劑以一定的比例均勻混合。第二階段為氮化硅陶瓷球的成型，常用的有擠出成型、注射成型、干法壓制成型及注漿成型等成型方法。第三階段為氮化硅陶瓷球致密化燒結(jié)，燒結(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)與熱等靜壓燒結(jié)。第四階段為后處理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和拋光。
由于存在夾雜、微型氣孔和晶界玻璃相等，早期陶瓷材料的脆性始終是影響長壽命軸承失效模式和抗沖擊能力的最直接因素之一。近年來，通過大量研究，發(fā)展了陶瓷毛坯的熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)，據(jù)中國粉體網(wǎng)小編了解，通過控制陶瓷粉體的純度、粒徑及其一致性、造粒過程與相成分等，使氮化硅陶瓷軸承的綜合性能大幅度提高，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性等關(guān)鍵指標(biāo)都能滿足要求，其相對密度可以達(dá)到99.9%以上，3點(diǎn)抗彎強(qiáng)度高于1000MPa，斷裂韌性可達(dá)到8～9MPa·m1/2以上，大大優(yōu)于滾動軸承的最低門檻值6MPa·m1/2。
航空陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展趨勢
航空軸承技術(shù)的發(fā)展歷史表明，從M50到M50NiL、Cronidur 30，再到目前正在推廣使用的氮化硅陶瓷材料，每次軸承材料的改進(jìn)都推動著航空軸承技術(shù)的快速發(fā)展。陶瓷軸承以其優(yōu)異的性能，能夠?yàn)楹娇昭b備領(lǐng)域發(fā)展提供重要基礎(chǔ)技術(shù)保障，高性能的陶瓷軸承將是應(yīng)對航空裝備高速化發(fā)展的有效技術(shù)途徑之一。
未來航空陶瓷軸承的技術(shù)發(fā)展趨勢包括：
高韌高強(qiáng)材料技術(shù)。據(jù)中國粉體網(wǎng)小編了解，采用高純、高球型度和粒徑分布相對集中的氮化硅粉，經(jīng)過脫氧和脫碳等預(yù)處理，去除粉體中的有害成分，進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，通過工藝優(yōu)化，提高燒結(jié)助劑分散均勻性和陶瓷晶粒長徑比，可達(dá)到制備顯微結(jié)構(gòu)均勻、抗彎強(qiáng)度1000MPa以上、斷裂韌性8～9以上的優(yōu)質(zhì)陶瓷毛坯材料。
低成本批量穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)。陶瓷軸承的成本包括全壽命期研發(fā)費(fèi)用、產(chǎn)品費(fèi)用和維修費(fèi)用，高成本依然是制約目前高端陶瓷軸承系統(tǒng)深入研究的影響因素，在應(yīng)用中還主要依賴全鋼軸承，同時高成本還源于主機(jī)技術(shù)復(fù)雜、對軸承需求批量小和可靠性要求高等特點(diǎn)。
輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)，精確設(shè)計(jì)技術(shù)。航空傳動系統(tǒng)技術(shù)要求結(jié)構(gòu)輕、可靠性高。為此基于軸承接觸力學(xué)性能、熱學(xué)性能、摩擦學(xué)性能匹配與分析、軸承動力學(xué)性能、軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)性能、軸承-基座結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的軸承精確設(shè)計(jì)技術(shù)依然是重點(diǎn)發(fā)展趨勢；此外，通過極限性能的精確設(shè)計(jì)，發(fā)展先進(jìn)的表面抗疲勞技術(shù)、高速高溫固體潤滑技術(shù)、脂潤滑技術(shù)、C-C輕型保持架技術(shù)，改善軸承內(nèi)部沖擊，降低軸承發(fā)熱，簡化軸承潤滑系統(tǒng)，可以進(jìn)一步減少零件數(shù)量和減輕主機(jī)質(zhì)量，這對有限壽命和異常情況下航空裝備的安全將帶來突破性技術(shù)變革。
陶瓷軸承的運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)。現(xiàn)代航空器的轉(zhuǎn)速、溫度和載荷越來越高，而軸承性能的波動和軸承失效都會導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)問題或者失效，智能健康監(jiān)測系統(tǒng)是航空裝備技術(shù)監(jiān)測的總體發(fā)展趨勢，軸承和齒輪的健康狀態(tài)監(jiān)測是其核心技術(shù)之一。
無損檢測和可靠性評價技術(shù)。陶瓷滾動體是多相燒結(jié)材料，其滾動接觸疲勞壽命受原材料、工藝、工況和工作歷史等參數(shù)明顯影響，因此軸承壽命的離散度大，可靠性評價還存在技術(shù)困難。發(fā)展對表面和次表層缺陷和損傷的無損檢測技術(shù)，特別是快速可靠的無損檢測技術(shù)，控制陶瓷元件的成品質(zhì)量，定量研究損傷模式和規(guī)律、極限抗損傷能力，建立可靠性評價模型，都是陶瓷軸承高可靠性應(yīng)用的重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)。
參考來源：
王黎欽等，高可靠性陶瓷軸承技術(shù)研究進(jìn)展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)
饒水林，航空發(fā)動機(jī)用氮化硅陶瓷軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀，江西昌興航空裝備股份有限公司
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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