航空發(fā)動機主軸軸承內(nèi)圈引導(dǎo)面磨損原因分析及改進

劉森，于慶杰，范紅偉，劉新宇

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著航空發(fā)動機整體性能的提升，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)質(zhì)量，主軸軸承和異形結(jié)構(gòu)零件一體化設(shè)計已成為必然趨勢。作為發(fā)動機軸承主要原材料的全淬硬M50鋼因其韌性差，將其加工成封嚴篦齒和鼠籠彈支等復(fù)雜結(jié)構(gòu)較為困難；表面硬化的M50NiL鋼韌性較優(yōu)，疲勞壽命較高，因此逐步應(yīng)用于航空發(fā)動機主軸軸承[1]。

某航空發(fā)動機在某次試車至10 h時，潤滑油中金屬元素含量超出預(yù)警值而報警。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)2-208主軸軸承內(nèi)圈引導(dǎo)面嚴重磨損。故障軸承為內(nèi)圈帶異形結(jié)構(gòu)的圓柱滾子軸承(φ165 mm×φ120 mm×100 mm)，套圈材料為M50NiL鋼，經(jīng)滲碳處理；保持架材料為40CrNiMoA鋼，表面鍍銀。該軸承安裝在高、低壓軸之間，采用內(nèi)引導(dǎo)方式，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，外圈轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，內(nèi)、外圈同向旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)對故障軸承進行失效分析，提出改進措施，并進行試驗驗證。

1 故障描述

故障軸承內(nèi)圈滾道面正常，兩側(cè)引導(dǎo)擋邊外徑面均出現(xiàn)深約1 mm的嚴重磨痕(圖1)，油孔未出現(xiàn)堵塞，整體未見高溫變色。保持架內(nèi)徑呈現(xiàn)磨粒磨損形貌并已露出基體(圖2)。外圈及滾子形貌基本正常，工作面均存在脫落金屬屑造成的壓痕。

圖1 內(nèi)圈引導(dǎo)擋邊磨損形貌

圖2 保持架內(nèi)徑面磨損形貌

2 故障分析

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量復(fù)查

1)尺寸精度復(fù)查，軸承加工過程中沒有出現(xiàn)尺寸超差和讓步放行情況，軸承過程加工尺寸符合產(chǎn)品設(shè)計要求。

2)軸承原材料的低倍組織、非金屬夾雜物及斷口形貌均符合YB 4106—2000《航空發(fā)動機用高溫滲碳軸承鋼》的規(guī)定。

3)軸承熱處理和滲碳后滲層組織1級；心部組織3級；晶粒度5級；粗大碳化物1級：均符合JB/T 8881—2011《滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》的規(guī)定。

4)對軸承零件的硬度進行復(fù)查，結(jié)果見表1，硬度均符合設(shè)計要求。

表1 軸承硬度檢測結(jié)果

2.2 故障原因

損傷面呈犁溝狀磨損痕跡，該形貌具有磨粒磨損的典型特征，表明軸承在運轉(zhuǎn)過程中保持架與套圈的引導(dǎo)擋邊發(fā)生了非正常接觸。

一般導(dǎo)致磨粒磨損的主要原因有：潤滑不良，異物顆粒進入。經(jīng)與主機單位確認，軸承運轉(zhuǎn)過程中供油正常，且故障軸承未見高溫變色痕跡。

經(jīng)復(fù)查，潤滑系統(tǒng)的進油濾為30 μm，雖然對其清潔度有控制要求，但在機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中不可避免出現(xiàn)因磨損產(chǎn)生的固體顆粒物，該顆粒物隨潤滑油進入軸承引導(dǎo)間隙內(nèi)，由此為套圈-保持架-顆粒物間“三體磨粒磨損”的形成提供了必要條件。因此，在維持發(fā)動機潤滑系統(tǒng)油濾不變的前提下，解決該問題的主要途徑是提高套圈引導(dǎo)面的抗磨損能力。

3 機理分析

一般材料的硬度與其抗磨損能力成正比，硬度越高，耐磨性越好，但該故障與此結(jié)論存在明顯差異，這是因為M50Nil鋼雖硬度較高，但其耐磨性較差[2-3]。

M50NiL鋼可用于溫度不高于316 ℃的軸承，進行滲碳處理后其表面形成具有細小回火馬氏體加彌散均勻分布的細小碳化物的顯微結(jié)構(gòu)(圖3)。使用過程中發(fā)現(xiàn)只進行滲碳處理的M50NiL鋼耐磨性較差。

圖3 滲碳處理后的M50NiL淬回火組織

軸承運轉(zhuǎn)過程中不能保證潤滑油絕對潔凈，其中可能存在雜質(zhì)磨粒，從而造成磨粒磨損。潤滑油中由雜質(zhì)引起的磨粒磨損是導(dǎo)致軸承失效的主要因素之一，材料的耐磨性與其硬度、磨粒硬度有關(guān)。當(dāng)磨粒硬度Ha遠高于被磨材料的硬度Hm時，磨損程度最大；當(dāng)Ha遠低于Hm時，純磨粒磨損消失，但可能出現(xiàn)疲勞磨損或黏著磨損等。對于磨粒磨損，當(dāng)Hm=(0.9～1.4)Ha時，磨粒磨損可完全避免；當(dāng)Hm=(0.80～0.85)Ha時，耐磨性會大幅提高[4]。因此，需通過提高內(nèi)圈引導(dǎo)面硬度來提高M50NiL鋼的抗磨損能力。

4 改進措施

為解決M50NiL軸承套圈引導(dǎo)表面磨粒磨損的問題，在套圈引導(dǎo)表面采用多弧離子鍍技術(shù)沉積一層TiN涂層。TiN涂層硬度較高，摩擦副較低，可有效提高套圈硬度，避免工作時其引導(dǎo)面與保持架之間發(fā)生磨粒磨損，提高軸承使用的可靠性[5]。

TiN涂層在軸承工作表面進行沉積時需要注意：1)與常規(guī)工模具不同，軸承的制造精度非常高，沉積過程中套圈不能變形，因此沉積溫度要遠低于常規(guī)沉積溫度；2)為了保證TiN涂層不影響滾道表面尺寸和粗糙度，需采用特殊工裝防護非引導(dǎo)面；3)在多弧離子鍍過程中存在液滴，易導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)大顆粒軟點，因此需進行液滴過濾。

完成TiN涂層的制備后對TiN涂層及軸承進行檢測，主要技術(shù)指標如下：

1)外觀檢測。TiN為仿金色，鍍膜部位不允許漏鍍；膜層表面不能存在起皺、開裂、脫落等,樣品外觀狀態(tài)良好。

2)薄膜厚度。按JB/T 7707—1995《離子鍍硬膜厚度試驗方法 球磨法》檢測，要求厚度為2.0～4.5 μm，樣品實測厚度為4.0 μm。

3)膜層硬度。按GB 9790—1988《金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗》檢測，要求硬度不低于2 200 HK0.025，樣品實測硬度為2 280 HK0.025。

4)膜基結(jié)合力。按JB/T 8554—1997《氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕試驗方法》檢測，要求結(jié)合力不低于40 N，樣品實測結(jié)合力為58 N。

5)變形量。保證原有尺寸精度。

完成TiN涂覆后的軸承如圖4所示。

圖4 內(nèi)圈引導(dǎo)面TiN涂層

5 試驗驗證

5.1 模擬試驗

在雙轉(zhuǎn)子軸承試驗機上模擬發(fā)動機當(dāng)量工況，隨機抽取一套涂層后的軸承進行3 000 h耐久性試驗。軸承內(nèi)外圈同向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速1 500～5 000 r/min，外圈轉(zhuǎn)速10 000～15 000 r/min，徑向載荷1 500～8 000 N，供油溫度90 ℃。試驗后軸承外觀狀態(tài)良好，TiN涂層完好，軸承尺寸精度符合企業(yè)固檢標準，試驗前、后軸承精度檢測數(shù)據(jù)見表2，軸承通過了耐久性試驗。

表2 模擬試驗前、后軸承精度檢測結(jié)果

5.2 發(fā)動機試車

將改進后的軸承安裝在某發(fā)動機上進行160 h試車考核，試車后分解檢查，內(nèi)圈外觀正常，TiN涂層無脫落現(xiàn)象(圖5)。試車前、后軸承精度檢測數(shù)據(jù)見表3，軸承尺寸精度符合企業(yè)固檢標準。

圖5 試車后內(nèi)圈引導(dǎo)面外觀形貌

Fig.5 Morphology of guiding surface of inner ring after trial run

表3 試車前、后軸承精度檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

主軸軸承故障原因主要為M50NiL鋼的抗磨粒磨損能力較差，不適應(yīng)工況要求。在內(nèi)圈引導(dǎo)面上制備TiN硬質(zhì)抗磨涂層可有效提高M50NiL鋼制軸承的抗磨粒磨損能力。