航空發(fā)動機(jī)主軸軸承內(nèi)圈引導(dǎo)面磨損原因分析及改進(jìn)

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(jī)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(jì)已成為必然趨勢。作為發(fā)動機(jī)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(yán)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(jī)主軸軸承[1]。

某航空發(fā)動機(jī)在某次試車至10 h時(shí)，潤滑油中金屬元素含量超出預(yù)警值而報(bào)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(yán)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(jìn)行失效分析，提出改進(jìn)措施，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(yán)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(jì)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(jī)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(jìn)行復(fù)查，結(jié)果見表1，硬度均符合設(shè)計(jì)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(yùn)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(jìn)入。經(jīng)與主機(jī)單位確認(rèn)，軸承運(yùn)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(jìn)油濾為30 μm，雖然對其清潔度有控制要求，但在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jī)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?yàn)镸50Nil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(jìn)行滲碳處理后其表面形成具有細(xì)小回火馬氏體加彌散均勻分布的細(xì)小碳化物的顯微結(jié)構(gòu)(圖3)。使用過程中發(fā)現(xiàn)只進(jìn)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(yùn)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(yuǎn)高于被磨材料的硬度Hm時(shí)，磨損程度最大；當(dāng)Ha遠(yuǎn)低于Hm時(shí)，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(shí)，磨粒磨損可完全避免；當(dāng)Hm=(0.80～0.85)Ha時(shí)，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M(jìn)50NiL鋼的抗磨損能力。

4 改進(jìn)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(shí)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(jìn)行沉積時(shí)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(yuǎn)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(hù)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(diǎn)，因此需進(jìn)行液滴過濾。

完成TiN涂層的制備后對TiN涂層及軸承進(jìn)行檢測，主要技術(shù)指標(biāo)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(yàn)方法 球磨法》檢測，要求厚度為2.0～4.5 μm，樣品實(shí)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(yàn)》檢測，要求硬度不低于2 200 HK0.025，樣品實(shí)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(yàn)方法》檢測，要求結(jié)合力不低于40 N，樣品實(shí)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(yàn)驗(yàn)證

5.1 模擬試驗(yàn)

在雙轉(zhuǎn)子軸承試驗(yàn)機(jī)上模擬發(fā)動機(jī)當(dāng)量工況，隨機(jī)抽取一套涂層后的軸承進(jìn)行3 000 h耐久性試驗(yàn)。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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)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(yàn)。

表2 模擬試驗(yàn)前、后軸承精度檢測結(jié)果

5.2 發(fā)動機(jī)試車

將改進(jìn)后的軸承安裝在某發(fā)動機(jī)上進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

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M(jìn)50NiL鋼制軸承的抗磨粒磨損能力。