K465超高溫合金向心關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能研究

張翔，蘇文文

(上海市軸承技術(shù)研究所，上海 201800)

某飛行器翼面操作桿中的向心關(guān)節(jié)軸承是運動部件與固定結(jié)構(gòu)的連接點，可承受變載，實現(xiàn)規(guī)定角度的調(diào)心擺動或圓周轉(zhuǎn)動。該軸承工作于超高溫環(huán)境，靜態(tài)下的最高環(huán)境溫度可達950 ℃，擺動運動下的最高溫度達850 ℃，同時伴有真空和原子氧輻照等復(fù)雜太空環(huán)境因素。

為滿足超高溫使用環(huán)境的要求，在軸承設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮軸承材料、涂層材料、軸承結(jié)構(gòu)等因素，并通過變溫?zé)o載啟動力矩測試、超高溫磨損試驗驗證軸承在超高溫下的使用性能，為超高溫關(guān)節(jié)軸承的開發(fā)提供借鑒。

1 試樣設(shè)計

1.1 軸承材料與選型

向心關(guān)節(jié)軸承主要分為擠壓型、開縫型、缺口型[5]。軸承結(jié)構(gòu)形式的選取應(yīng)綜合考慮軸承使用溫度，材料的硬度、塑韌性及成形工藝的影響。現(xiàn)階段，擠壓型向心關(guān)節(jié)軸承由于織物襯墊的限制，最高可承受240 ℃的高溫；開縫型向心關(guān)節(jié)軸承要求材料具有較高的硬度和塑韌性，不適用于超高溫工況；缺口型向心關(guān)節(jié)軸承(圖1)的配合精度可通過機械加工精準(zhǔn)控制，根據(jù)不同使用工況選定相應(yīng)的表面處理，從而滿足各類極限工況的使用要求。

圖1 缺口型向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of notched radial spherical plain bearing

相關(guān)研究表明，耐溫最高的第三代軸承鋼可承受的最高溫度為500 ℃[1]，440C的最佳摩擦溫度為200 ℃[2]，不能滿足超高溫關(guān)節(jié)軸承的使用要求。K465合金是鎳基沉淀硬化型軸晶鑄造高溫合金，使用溫度可達1 050 ℃[3]，具有較高的高溫強度和較好的耐熱腐蝕性能，適用范圍廣，綜合性能優(yōu)越。采用K465合金制作的航空發(fā)動機燃氣渦輪葉片(1 000 ℃)、渦輪導(dǎo)向葉片(達1 050 ℃)等均已通過試車考核，因此，可嘗試在高溫關(guān)節(jié)軸承上應(yīng)用K465合金。

軸承的表面處理需綜合考慮軸承在高溫下的熱膨脹、抗沖擊、耐磨損等性能。相關(guān)研究表明，TiAlN涂層的抗氧化溫度可達1 000 ℃以上[4]，在950 ℃下能穩(wěn)定工作，涂層硬度可達3 200～3 300 HV，干摩擦因數(shù)約0.30～0.35，已在發(fā)動機組件、高溫高壓刀具等領(lǐng)域有成熟的應(yīng)用，可作為高溫軸承摩擦面的涂層材料。

經(jīng)篩選與對比，確定缺口型向心關(guān)節(jié)軸承作為試樣，軸承內(nèi)、外圈材料采用K465-DS；涂層材料采用TiAlN，對內(nèi)圈進行PVD處理。

1.2 軸承接口尺寸

根據(jù)飛行器組件接口尺寸，選定GE12D軸承為試驗件，其尺寸參數(shù)見表1[6]，試驗前軸承狀態(tài)如圖2所示。

表1 GE12D軸承尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of GE12D bearing

圖2 試驗前試樣Fig.2 Pre-test sample

2 試驗方法

2.1 試驗類型與試驗參數(shù)

軸承試驗分為變溫環(huán)境下的無載啟動力矩測試和高溫環(huán)境下5 000次擺動磨損試驗2種類型，試驗參數(shù)見表2、表3。

表2 變溫環(huán)境下無載啟動力矩測試參數(shù)Tab.2 Parameters of no-load starting torque test under variable temperature

表3 高溫環(huán)境下GE12D軸承磨損試驗參數(shù)Tab.3 Parameters of wear test for GE12D bearing under high temperature

2.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備如圖3所示，可通過動齒輪齒條運動實現(xiàn)軸承的擺動，由加載系統(tǒng)提供試驗所需的徑向載荷，由扭矩傳感器實時采集扭矩。

圖3 試驗設(shè)備Fig.3 Test equipment

2.3 安裝與調(diào)試

將內(nèi)圈與試驗軸固定，與加載夾具相連后置于環(huán)境箱內(nèi)。在環(huán)境箱外部安裝冷卻系統(tǒng)，確保非試驗區(qū)域各構(gòu)件不因高溫受損。

恒溫狀態(tài)下，溫度偏差±5 ℃。無載啟動力矩測試時，箱內(nèi)溫度應(yīng)至少保持60 s。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 變溫下軸承無載啟動力矩測試

在室溫下記錄最大無載啟動力矩值，隨后以每15 min升高50 ℃的速率升溫，每隔50 ℃記錄最大無載啟動力矩值；完成850 ℃下的無載啟動力矩測試后，以每15 min降低50 ℃的速率降至室溫，期間按相同方法采集數(shù)據(jù)。試驗后的軸承如圖4所示，無載啟動力矩隨溫度的變化曲線如圖5所示。

圖4 變溫下無載啟動力矩試驗后的試樣(16-10-1)Fig.4 Sample 16-10-1 after no-load starting torque test under variable temperature

圖5 變溫下軸承無載啟動力矩變化曲線Fig.5 Variation curve of no-load starting torque of bearing under variable temperature

分析無載啟動力矩隨溫度的變化規(guī)律及試驗后試樣狀態(tài)可知：

1)隨溫度升高，軸承無載啟動力矩增加；隨溫度降低，無載啟動力矩下降；850 ℃高溫時的無載啟動力矩約為室溫下無載啟動力矩的2～3倍，滿足不高于5倍的使用要求。分析認(rèn)為無載啟動力矩的變化與K465合金材料熱脹冷縮，以及TiAlN涂層在不同溫度下的潤滑特性有關(guān)[7]。

2)在升、降溫過程中，相同溫度下的力矩值存在偏差，與摩擦面的接觸狀態(tài)變化有關(guān)。

3)試驗后，內(nèi)圈球面有2條輕微摩擦劃痕，試樣狀態(tài)整體良好。

3.2 高溫磨損試驗

安裝前測試軸承徑向游隙，安裝后按表4中的試驗參數(shù)開始高溫磨損試驗。以每15 min 升高50 ℃的速率從室溫升至850 ℃并保溫30 min，施加6 046 N的徑向載荷后開啟5 000次擺動磨損試驗，每隔500次記錄軸承的啟動力矩，試驗結(jié)束后拍照并測試徑向游隙。

850 ℃下軸承啟動力矩隨擺動次數(shù)的變化如圖6所示，試驗后軸承狀態(tài)如圖7所示，試驗前后軸承的徑向游隙見表5。

表5 試驗前、后GE12D軸承的徑向游隙Tab.5 Radial clearance of GE12D bearing before and after test

圖6 高溫下軸承啟動力矩的變化曲線Fig.6 Variation curve of staring torque of bearing under high temperature

圖7 高溫擺動試驗后的試樣(16-10-4)Fig.7 Sample 16-10-4 after high temperature swing test

分析力矩隨擺動次數(shù)的變化規(guī)律，觀察試驗后軸承狀態(tài)并對比試驗前后徑向游隙的變動量可知：

1)在850 ℃高溫下，軸承啟動力矩隨擺動次數(shù)的增加先下降，隨后逐漸平穩(wěn)。磨損平穩(wěn)后，軸承啟動力矩的平均值為36 N·m。

2)試驗過程中軸承滑動接觸表面出現(xiàn)氧化，隨擺動次數(shù)的增加，由摩擦痕跡逐步發(fā)展成具有一定寬度且邊界明顯的磨痕，擺動5 000次后內(nèi)圈涂層未磨穿。

3)3組試樣的平均徑向游隙變動量為0.008 mm，滿足不大于0.13 mm的使用要求。

綜上，經(jīng)5 000次高溫磨損后，軸承涂層未磨穿，徑向游隙變動量合格。

4 結(jié)束語

根據(jù)某飛行器翼面操作桿向心關(guān)節(jié)軸承的使用工況要求，經(jīng)對比選定了以K465為軸承套圈材料、TiAlN為內(nèi)圈涂層的缺口型向心關(guān)節(jié)軸承GE12D，并進行了變溫下的軸承無載啟動力矩測試和850 ℃高溫下的5 000次擺動磨損試驗，試驗結(jié)果表明該軸承的啟動力矩、徑向游隙變動量均滿足使用要求，且內(nèi)圈涂層堅固耐磨，可作為超高溫環(huán)境下的活動連接件使用。