航空發動機軸承滑蹭損傷形貌分析

謝向宇，方明偉，羅軍，徐進，陳煜

（1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550000；2.貴陽學院 化學與材料工程學院 材料磨損與腐蝕防護貴州省高校工程研究中心，貴陽 550005；3.貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 561102）

目前，航空發動機軸承的dm·n值為2×106mm·r/min，隨著航空發動機的發展，dm·n值越來越大，軸承的服役工況越來越苛刻，使軸承早期失效愈加頻繁［1-3］。其中，蹭傷已成為航空發動機軸承早期失效的主要因素［4］。軸承滑蹭的研究始于20世紀60年代，文獻［5-8］利用靜力學或動力學方法計算分析了不同軸承參數對滾動軸承打滑的影響，力學模型的建立使得軸承分析越來越精確，但求解變得越來越復雜。隨著計算機技術的發展，軸承力學分析軟件如CYBEAN，COBRA，BEAST等用以輔助分析［9］，力學求解速度得到顯著提升。近年來學者們通過試驗模擬研究各種工況參數對軸承打滑的影響［10-11］，但因航空發動機軸承服役工況復雜，通過試驗模擬或力學分析很難完全反映航空發動機軸承的實際服役工況，以往的研究成果不能全面地分析軸承蹭傷。

現通過試驗，對比分析航空發動機蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的形貌，研究航空發動機軸承的蹭傷特征。

1 試驗

1.1 試樣

試樣分別來源于航空發動機制造廠和修理廠的服役未蹭傷軸承和蹭傷軸承，其為外圈無擋邊的9D1002926N圓柱滾子軸承，引導方式為外圈引導，滾子數為30個，保持架材料為硅青銅QSi3.5-3-1.5，表面鍍銀，套圈、滾子材料均為Cr4Mo4V。

1.2 試驗設備及方法

利用FEI Quanta 250 FEG型掃描電子顯微鏡觀察增傷的微觀形貌；試樣沿徑向切割，經鑲嵌、磨拋、腐蝕（4%硝酸酒精溶液），置于ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡下觀察金相組織；利用Taylor PGI 420型輪廓儀測量內圈及滾子輪廓。

2 結果與分析

2.1 宏觀形貌

服役未蹭傷軸承的宏觀形貌如圖1所示。由圖可知，外圈表面無明顯剝落和變形（圖1a），保持架引導面有細微的劃痕，其與滾子的接觸面處存在部分凹陷（圖1b），內圈滾道（圖1c）和滾子表面光潔（圖1d），未見異常磨損。

圖1 服役未蹭傷軸承宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of bearing without skidding damage under service

蹭傷軸承的宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，外圈表面無明顯剝落和變形（圖2a）；保持架的引導面有細微劃痕，其與滾子的接觸面處亦出現凹陷（圖2b），這可能是高速運轉的結果；內圈滾道可見色差明顯的蹭傷部位，損傷區域不均勻，呈周向分布，約占內圈滾道面積的1/3，且偏向擋邊一側（圖2c）；滾子柱面出現整周的明顯褐色帶，靠近滾子端面（圖2d）。測量該軸承的30個滾子，色帶的寬度均為2.9 mm，但與內圈滾道的蹭傷區域尺寸不對應。滾子色帶的形成可能源于局部溫度偏高，附著在蹭傷軸承滾子表面的油膜氧化，致使淺褐色的氧化膜產物沉積［12］。

圖2 蹭傷軸承的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of bearing with skidding damage

2.2 微觀形貌

服役未蹭傷軸承內圈和滾子的微觀形貌如圖3所示。由圖可知，內圈表面有少量劃痕，劃痕方向與滾動方向一致，且內圈表面分布有較多的小麻坑（圖3a），推測為大顆粒碳化物脫落所致；滾子表面有均勻的細小劃痕，麻坑的數量少、尺寸小且分布均勻（圖3b）。

圖3 服役未蹭傷軸承內圈和滾子的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of inner ring and roller for bearing without skidding damage under service

蹭傷軸承內圈和滾子的微觀形貌如圖4所示。由圖可知，內圈光滑區域與粗糙區域呈疏密程度不一的分界（圖4a），損傷區域表面不平整且布滿形態大小各異的剝落坑，剝落坑在中心位置處最深，邊緣較淺且剝層方向不一（圖4b）；滾子表面布滿長且密的劃痕，劃痕方向與滾子運動方向一致，并有剝落坑貫穿劃痕（圖4c）；對應宏觀上滾子色帶位置出現犁溝與磨屑（圖4d），這表明蹭傷軸承可能發生了磨粒磨損和粘著磨損。

圖4 蹭傷軸承內圈和滾子的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of inner ring and roller for bearing with skidding damage

2.3 金相組織分析

蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的金相組織如圖5所示。由圖可知，內圈和滾子均有均勻的基體組織，由馬氏體＋殘余奧氏體＋一次碳化物＋二次碳化物組成。服役未蹭傷軸承的內圈（圖5a）和滾子（圖5c）的金相組織均正常；蹭傷軸承內圈蹭傷剖面有不連續的白層，厚度為2～3μm（圖5b），滾子沿色帶處的剖面可見連續白層，厚度約為5 μm（圖5d）。白層組織出現源于內圈和滾子滑蹭過程中局部溫度升高至奧氏體化溫度，之后淬火形成了燒傷層——二次淬火層，由于其耐腐蝕性較強，故金相組織呈現為白色［13］。內圈呈不連續的白層，可能是由于白層的質脆性導致局部發生了崩落。

圖5 蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的金相組織Fig.5 Metallographic structure of bearing with and without skidding damage under service

2.4 軸承輪廓分析

為驗證軸承的輪廓變化，對比分析新軸承、蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承內圈滾道和滾子輪廓，如圖6所示。由圖可知，服役未蹭傷軸承內圈輪廓形狀呈凸型，而蹭傷軸承內圈的輪廓接近水平，新軸承輪廓高度約10μm，未蹭傷軸承輪廓高度為5μm，蹭傷軸承內圈高度為2μm（圖6a），表明服役軸承內圈輪廓均有磨損，而蹭傷軸承內圈磨損更嚴重。滾子素線輪廓為圓弧修緣型，對比新軸承的滾子素線，未蹭傷軸承的滾子較粗糙，但總體輪廓保持一致，而蹭傷軸承的滾子形狀發生了部分變化（圖6b），磨損部分的寬度約3 mm，與滾子宏觀色帶對應。蹭傷軸承內圈和滾子輪廓的變化說明滾子在內圈滾道發生了嚴重的相對滑動，可以預測，滾子和內外圈的磨損會進一步加劇，嚴重時甚至導致軸承卡死。

圖6 新軸承、未蹭傷軸承、蹭傷軸承的內圈和滾子的輪廓對比Fig.6 Comparison of profile among new bearing，bearing with and without skidding damage

3 結論

1）蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承在宏觀、微觀形貌存在顯著差異，蹭傷軸承內圈損傷面呈現密布的剝落坑，滾子覆著整周的色帶，且磨損嚴重。

2）蹭傷軸承內圈和滾子的金相組織均由馬氏體＋殘余奧氏體＋一次碳化物＋二次碳化物組成，且蹭傷表面存在燒傷層。

3）蹭傷軸承內圈和滾子輪廓整體變化顯著，有磨損加劇的趨勢。