劉文龍，劉魯，楊宇

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110015)

鎢摻雜類金剛石(W-DLC)薄膜能夠起到減摩、耐磨的作用[1]，可提高軸承壽命和可靠性，近年來(lái)已逐步應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承。

為了確保W-DLC鍍膜能夠適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承dn值高，載荷大，溫度高等惡劣工況[2]，已經(jīng)開(kāi)展了很多試驗(yàn)研究，試驗(yàn)后軸承及薄膜情況均較為良好[3]。但目前針對(duì)W-DLC鍍膜球軸承的研究試驗(yàn)相對(duì)較少，主要是由于鋼球的W-DLC鍍膜工藝更加復(fù)雜[4]。鑒于此，現(xiàn)以某型發(fā)動(dòng)機(jī)三點(diǎn)角接觸球軸承為例，采用表面PVD鍍膜技術(shù)對(duì)軸承溝道及鋼球進(jìn)行W-DLC鍍膜[5]，并開(kāi)展軸承性能試驗(yàn)研究，探討W-DLC薄膜在航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸球軸承的適用性及未來(lái)研究方向。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)軸承采用某型發(fā)動(dòng)機(jī)用雙半內(nèi)圈三點(diǎn)角接觸球軸承，材料為M50，軸承主要參數(shù)見(jiàn)表1，鍍膜參數(shù)見(jiàn)表2。其中，外圈擋邊鍍TiN是為了增加軸承的耐磨性。為對(duì)比鍍膜后軸承的實(shí)際應(yīng)用效果，增加1套無(wú)鍍膜的三點(diǎn)角接觸球軸承進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

表2 軸承鍍膜參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在某型發(fā)動(dòng)機(jī)高溫軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗(yàn)機(jī)能夠同時(shí)安裝2套試驗(yàn)軸承，可承受大小相等的軸向載荷，適合開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)。

1—加載頭；2，3—試驗(yàn)軸承；4—承力殼體；5，6—支承軸承

1.3 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)軸承采用環(huán)下供油及噴射供油的聯(lián)合供油方式，總供油量為10.0～11.3 L/min，供油溫度參考發(fā)動(dòng)機(jī)常用水平及試驗(yàn)機(jī)溫度控制能力，要求為70～120 ℃。內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合要求為-0.062～-0.027 mm，外圈與軸承座配合要求為-0.024～+0.016 mm，均與發(fā)動(dòng)機(jī)保持一致。

本試驗(yàn)屬于驗(yàn)證性、對(duì)比性試驗(yàn)，各工況條件均與某型發(fā)動(dòng)機(jī)三支點(diǎn)主軸軸承考核試驗(yàn)要求一致。試驗(yàn)分為磨合試驗(yàn)和正式試驗(yàn)，二者除工況譜不同外，軸承潤(rùn)滑、安裝等保持一致。磨合試驗(yàn)條件見(jiàn)表3，磨合試驗(yàn)主要是為了消除由于制造、裝配等誤差導(dǎo)致的密封襯套與軸間可能出現(xiàn)的碰磨現(xiàn)象。

表3 磨合試驗(yàn)條件

磨合過(guò)程中軸承溫度、回油溫度、電流、電壓、振動(dòng)、噪聲等均無(wú)異常，磨合后對(duì)試驗(yàn)軸承油腔油樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果顯示無(wú)異常，進(jìn)入正式試驗(yàn)。

正式試驗(yàn)工況譜(1個(gè)循環(huán))如圖2所示，其中(50 kN，1.00)狀態(tài)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間為15 min，其余均為2 min，(10 kN，0.72)為程序起點(diǎn)，1.00相對(duì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)物理轉(zhuǎn)速14 675 r/min；軸承徑向載荷始終為2 900 N。正式試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)供油溫度、回油溫度、軸承(外圈)溫度、電主軸電流等數(shù)據(jù)。

圖2 正式試驗(yàn)載荷圖譜

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)完成20個(gè)工況譜后，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)存在振動(dòng)增大的趨勢(shì)，拆下軸承進(jìn)行檢查，并檢查鍍膜情況，發(fā)現(xiàn)鍍膜和未鍍膜試驗(yàn)軸承的內(nèi)圈與軸之間均出現(xiàn)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的痕跡，但軸承未失效。

對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)鍍膜軸承內(nèi)、外圈溝道接觸軌跡以及鋼球表面W-DLC涂層已經(jīng)發(fā)生明顯脫落，脫落部位形貌如圖3所示，圖中深色部分為W-DLC鍍膜區(qū)域，淺亮色部分為鍍膜已脫落區(qū)域，外圈擋邊TiN涂層無(wú)明顯變化。

圖3 軸承零件脫落形貌

W-DLC薄膜為3層結(jié)構(gòu)，底層為CrN層，中間為柱狀CrCN層，表面為摻雜W的DLC層。對(duì)脫落部位進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表可知，薄膜脫落部位相比于鍍膜部位的W元素含量明顯下降，但相比于軸承基體材料，Cr元素含量仍較高，因此可以判斷是表面摻雜W的DLC鍍層脫落。

表4 不同位置軸承材料成分

由于鋼球與套圈為點(diǎn)接觸，球軸承接觸應(yīng)力明顯高于滾子軸承，應(yīng)是其薄膜脫落的主要原因。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)軸承內(nèi)圈最大接觸應(yīng)力超過(guò)2 200 MPa，外圈最大接觸應(yīng)力超過(guò)2 000 MPa，高于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸滾子軸承的接觸應(yīng)力水平(一般不超過(guò)1 800 MPa)。

某循環(huán)過(guò)程中潤(rùn)滑油回油溫度及軸承外圈溫度如圖4所示。由圖可知，相同供油溫度下，鍍膜軸承與未鍍膜軸承的回油溫度相差不大，未鍍膜軸承外圈溫度比鍍膜軸承高15 ℃左右。考慮到2種軸承的供油量和供油溫度基本一致，但工作中鍍膜軸承溫度更低，因此鍍膜軸承的發(fā)熱量更小，主要是由于鋼球與套圈的M50基體經(jīng)過(guò)W-DLC鍍膜后，干摩擦因數(shù)由0.70下降至0.15，接觸載荷相同時(shí)，鍍膜軸承的摩擦發(fā)熱量更小，摩擦接觸區(qū)向外圈的熱傳遞更少，外圈溫升較小。此外，鍍膜軸承雖然發(fā)生薄膜脫落，但在短時(shí)間內(nèi)并未導(dǎo)致鍍膜軸承出現(xiàn)剝落、斷裂等失效性故障。

圖4 軸承回油溫度和軸承溫度曲線

本試驗(yàn)為驗(yàn)證性試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)成本等問(wèn)題，試樣發(fā)生鍍膜脫落后并未繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)結(jié)果具有一定的隨機(jī)性?？紤]到該軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上工作時(shí)，由于機(jī)動(dòng)過(guò)載等情況可能導(dǎo)致其受載更大，可以判斷其鍍膜可靠性一般，存在一定脫落風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)后鍍膜軸承套圈工作區(qū)和鋼球表面均出現(xiàn)W-DLC薄膜脫落現(xiàn)象，在高接觸應(yīng)力水平下鍍膜的可靠性一般。

2)薄膜脫落在短時(shí)間內(nèi)未導(dǎo)致軸承出現(xiàn)剝落、斷裂等失效性故障。

3)鍍膜軸承與未鍍膜軸承的供回油溫度相近，但鍍膜軸承外圈溫度較未鍍膜軸承低15 ℃左右，其摩擦性能優(yōu)于未鍍膜軸承。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸球軸承W-DLC鍍膜技術(shù)在后續(xù)研究中要著重注意膜基結(jié)合力，尤其是表面摻雜W的DLC表層結(jié)合力與中間層之間的結(jié)合力應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展深入研究。