某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落缺陷分析

劉遠航 鞏孟祥 鄭麗 王鐵楠

摘 要：航空發(fā)動機是工業(yè)制造的集大成之作，其設(shè)計結(jié)構(gòu)復雜、加工精度高、加工復雜，對于一個國家的工業(yè)實力要求較高。在組成航空發(fā)動機的眾多零部件中，航空發(fā)動機軸承是其中的關(guān)鍵部分。航空發(fā)動機軸承也被稱之為航空發(fā)動機的關(guān)節(jié)，其對于制造精度、制造材料的要求都極高，尤其是要能夠在航空發(fā)動機工作時所產(chǎn)生的高溫下正常工作，如果材料、制造精度不到位將容易導致航空發(fā)動機軸承在工作中燒毀、抱死進而造成航空發(fā)動機停車，從而產(chǎn)生嚴重的后果。本文結(jié)合航空發(fā)動機軸承在使用中所出現(xiàn)的早期剝落進行分析，查找原因并采取針對性的措施來提高航空發(fā)動機軸承的使用質(zhì)量和使用壽命。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機軸承；疲勞剝落；應對措施

中圖分類號：V23 文獻標志碼：A

0 前言

航空發(fā)動機軸承是組成航空發(fā)動機的基礎(chǔ)性零部件，航空發(fā)動機的性能與航空發(fā)動機軸承有著直接而緊密的聯(lián)系。航空發(fā)動機軸承工作時將以超高的轉(zhuǎn)速在高溫、高壓下進行工作，嚴苛的工作環(huán)境容易造成航空發(fā)動機軸承的失效或是損壞。疲勞剝落是航空發(fā)動機軸承在應用過程中較為常見的一種現(xiàn)象，其所產(chǎn)生的原因較為復雜，為提高航空發(fā)動機軸承的使用壽命需要對引起疲勞剝落的原因進行分析并采取針對性的措施予以解決。

1 航空發(fā)動機軸承疲勞剝落產(chǎn)生的特點

航空發(fā)動機軸承工作過程中由于轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境復雜將使得航空發(fā)動機軸承的使用質(zhì)量和使用壽命大打折扣。疲勞剝落是航空發(fā)動機軸承常見的損害方式之一，其表現(xiàn)為具有一定的深度和面積，且滾道表面呈現(xiàn)出凹凸不平的鱗狀或是疲勞擴展的海灘狀紋路，其多發(fā)生于套圈滾道和滾動體表面。造成航空發(fā)動機軸承出現(xiàn)疲勞剝落的原因眾多且現(xiàn)今比較統(tǒng)一的觀點主要有：次表面起源型和表面起源型兩大類。航空發(fā)動機軸承出現(xiàn)問題將對航空發(fā)動機的使用造成直接的影響。本文將結(jié)合某型號航空發(fā)動機軸承在地面試驗中所產(chǎn)生的疲勞剝落問題進行分析，通過對疲勞剝落現(xiàn)象進行詳細的分析測定找出疲勞剝落的原因以便采取措施提高航空發(fā)動機軸承的使用壽命和使用質(zhì)量。

2 某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落實例

某型號航空發(fā)動機軸承采用8Cr4Mo4V型鋼利用熱鍛成型工藝加工而成，在實際航空發(fā)動機地面試驗中發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)了滾道剝落的現(xiàn)象。某型號航空發(fā)動機軸承所采用的熱鍛成型工藝在改善金屬組織、壓實金屬緊密性以及提高軸承強度等方面都有著較大的優(yōu)勢，但是采用熱鍛工藝容易使得套圈在熱鍛中出現(xiàn)缺陷，進而導致某型號航空發(fā)動機軸承在使用中出現(xiàn)剝落缺陷。結(jié)合某型號航空發(fā)動機軸承的剝落缺陷進行金相、宏觀、化學、力學等方面的檢測，確定某型號航空發(fā)動機軸承產(chǎn)生剝落的原因，采取針對性的措施予以解決。

3 某型號航空發(fā)動機軸承的試驗觀測

對某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落區(qū)域進行檢測觀測用以確定疲勞剝落缺陷產(chǎn)生的原因。通過使用ZEISS體視顯微鏡對某型號航空發(fā)動機軸承剝落區(qū)域進行觀測后發(fā)現(xiàn)，某型號航空發(fā)動機軸承的外圈整體完整，滾道工作軌未見明顯“偏異”，某型號航空發(fā)動機軸承滾道滾跡內(nèi)存在顯著的碾壓麻坑，剝落區(qū)域主要集中在雙半內(nèi)圈的右側(cè)半圈，且剝落區(qū)域的長度達到了滾道長度的近1/3左右，剝落區(qū)域表面呈現(xiàn)出凹凸不平的鱗狀，呈現(xiàn)出海灘狀紋路，且某型號航空發(fā)動機軸承中的未剝落區(qū)域滾道存在碾壓麻坑。某型號航空發(fā)動機軸承的滾珠表面存在著輕微變色且分布著貓眼形狀的磨損痕跡。

某型號航空發(fā)動機軸承的保持架磨損較為嚴重，鍍層部分完全磨完。使用化學方法對某型號航空發(fā)動機軸承所使用材質(zhì)進行分析，確定該航空發(fā)動機軸承所使用材質(zhì)符合相關(guān)使用規(guī)范，材質(zhì)方面不存在問題。對某型號航空發(fā)動機軸承磨損區(qū)域進行硬度檢測，使用洛氏硬度計對某型號航空發(fā)動機軸承表面硬度進行檢測發(fā)現(xiàn)各處硬度均符合相關(guān)標準要求。

對某型號航空發(fā)動機軸承進行金相檢測，使用金相顯微鏡對某型號航空發(fā)動機軸承未有疲勞剝落的區(qū)域進行觀測，發(fā)現(xiàn)觀測區(qū)域的金屬組織為針狀馬氏體+二次碳化物+一次碳化物，金屬組織符合相關(guān)規(guī)范要求。對某型號航空發(fā)動機軸承金屬剝落的組織進行金相觀測，發(fā)現(xiàn)剝落區(qū)域金屬次表面存在多處類似蝴蝶形白色組織，且蝴蝶形白色組織區(qū)域分布著眾多的細小裂紋，此外，剝落區(qū)域次表面及內(nèi)部存在大量不同尺寸、形狀的尖角空洞缺陷，且在觀測中發(fā)現(xiàn)尖角孔洞的邊緣區(qū)域存在著碳化物和微小的裂紋。對某型號航空發(fā)動機軸承非剝離區(qū)域進行金相觀測后發(fā)現(xiàn)，非剝離區(qū)域同樣存在著大量的不同形狀的尖角孔洞，且這些孔洞多分布在晶粒界面上，但是相比于剝離區(qū)域其孔洞分布較少。對某型號航空發(fā)動機軸承剝落半內(nèi)圈進行人為斷口觀測，發(fā)現(xiàn)斷口區(qū)域表面存在著大量的晶粒棱面，形似石狀斷口。使用掃描電鏡對某型號航空發(fā)動機軸承剝落區(qū)域進行觀測后發(fā)現(xiàn)剝落區(qū)域除了存在著大量的孔洞外還存在著晶粒局部熔化、高溫所形成的魚骨狀共晶碳化物。

4 某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落的原因分析

結(jié)合某型號航空發(fā)動機軸承剝落表面的宏觀分析可以判定某型號航空發(fā)動機軸承剝落區(qū)域為接觸性疲勞。結(jié)合某型號航空發(fā)動機軸承剝落區(qū)域所出現(xiàn)的“蝴蝶狀裂紋”以及掃描電鏡所顯示出的分布于裂紋周邊的碳化物，可以確定某型號航空發(fā)動機軸承剝落區(qū)域為某型號航動機軸承在工作時在外界交變載荷作用下最大應力區(qū)中的最薄弱處，加之某型號航空發(fā)動機軸承所使用材料本身內(nèi)部所存在的孔隙、裂紋夾雜等將容易導致某型號航空發(fā)動機軸承在交變應力的作用下出現(xiàn)“蝴蝶形缺陷”。通俗來說就是某型號航空發(fā)動機軸承在交變載荷的作用下受到兩側(cè)相互擠壓擴展繼而形成冷作硬化和塑性變形，并產(chǎn)生相變。通過金相、電鏡、化學等的觀測確定造成某型號航空發(fā)動機軸承出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象主要是由于某型號航空發(fā)動機軸承滾道次表面存在微觀過燒孔洞缺陷，這是導致某型號航空發(fā)動機軸承出現(xiàn)早期疲勞剝落的主要原因。過燒孔洞缺陷主要是由于在金屬制造過程中加熱溫度、保溫時間等超過相關(guān)工藝要求，致使材料過熱所形成。

5 某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落缺陷的應對措施

針對過燒孔洞缺陷，在某型號航空發(fā)動機軸承的制造過程中應當積極加強對于鍛造工藝的執(zhí)行，通過嚴格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范采取合理的裝爐方式，避免某型號航空發(fā)動機軸承在制造過程中出現(xiàn)局部加熱問題，加裝爐溫檢測控制儀器儀表做好某型號航空發(fā)動機軸承制造過程中爐內(nèi)溫度、爐氣流動的控制，使得爐內(nèi)金屬得到均勻的加熱。此外，在使用金屬用于某型號航空發(fā)動機軸承制造前需要對金屬進行無損間隙，避免金屬材料中存在鍛造缺陷。無損檢測法可以使用水漫超聲法。

結(jié)語

航空發(fā)動機軸承的制造質(zhì)量與使用壽命直接影響著航空發(fā)動機的使用質(zhì)量與使用壽命。本文結(jié)合某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落缺陷通過對其進行宏觀、金相、化學以及電鏡檢測，確定了某型號航空發(fā)動機軸承疲勞剝落缺陷主要是由于所使用材料中存在過燒組織所造成的，并就如何做好某型號航空發(fā)動機軸承的處理進行了分析介紹。

參考文獻

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