高可靠性陶瓷轴承技术研究进展.pdf

第3 9 卷第2 期 2 0 1 3 年4 月 航空发动机 A e r o e n g i n e V o l - 3 9N o 2 A p r 2 0 1 3 高可靠性陶瓷轴承技术研究进展 王黎钦1 ，贾虹霞2 ，郑德志，叶振环1 ( 1 哈尔滨工业大学航空宇航摩擦学研究室，哈尔滨1 5 0 0 0 1 ； 2 中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨1 5 0 0 3 0 ) 摘要：陶瓷轴承具有长寿命、耐高温、耐腐蚀和超高速等优异的综合性能，已经在航 空航天及装备制造领域中得到应用。介绍了陶瓷轴承的发展背景，归纳了陶瓷材料技术研 究进展，概括了陶瓷滚动体毛坯和成品的无损探伤技术和方法，阐述了陶瓷滚动体表面低 损伤加工的必要性，探讨了陶瓷轴承的润滑行为和热行为，提出了陶瓷轴承的失效模式和 设计准则，分析了陶瓷轴承的结构和性能设计方法，给出了部分典型应用和极限性能试验 情况，展望了高性能陶瓷轴承技术的发展趋势。为继续深化陶瓷轴承技术研究、攻克极限 工况下的陶瓷轴承关键技术、发展面向工况的轴承设计制造技术、实现高性能陶瓷轴承的 技术转化和推广应用、解决高端装备的公共轴承技术难题提供技术基础。 关键词：陶瓷轴承；轴承设计；极限性能；制造技术 王黎钦( 1 9 6 4 ) ，男，博士，教授，博士 生导师，研究方向为机械设计与理论、摩 擦学、宇航空间机构及控制。 A d v a n c e si nH i g h r e l i a b i l i t yC e r a m i cR o l l i n gE l e m e n t 基金项目：国家重点基础研究发展 B e a r i n gT e c h n o l o g y 计划项目( 2 0 1 3 C B 6 3 2 3 0 5 ) 资助 W A N GL i q i n l ，J I AH o n g x l 1 a - , Z H E N GD e z h i l ，Y EZ h e n g h u a n l 收稿日期：2 0 1 3 0 l 一2 5 ( 1 S p a c ea n dA e r o s p a c eT r i b o l o g yR e s e a r c hL a b ，H a r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ， H a r b i n1 5 0 0 0 1 ，C h i n a ；2 A V I CH a r b i nB e a r i n gC o r p L t d ，H a r b i n1 5 0 0 3 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：C e r a m i cR o l l i n gE l e m e n tB e a r i n g s ( C R E B s ) h a sg o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e si n c l u d i n gl o n g l i f e ，h i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s u p e r h i g hs p e e d ，w h i c hw a sa p p l i e dt oa e r o s p a c ea n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gf i e l d s T h ed e v e l o p m e n t b a c k g r o u n do fC R E B sw a si n t r o d u c e da n dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n to fc e r a m i cm a t e r i a lt e c h n o l o g yw a sc o n c l u d e d T h em e t h o d sa n d t e c h n o l o g i e sf o rN o n D e s t r u c t i v eE v a l u a t i o n ( N D E ) o fc e r a m i cr o l l i n ge l e m e n tb l a n k sa n dp r o d u c t sw e r es u m m a r i z e d T h en e c e s s i t yt o r e d u c et h es u r f a c ed a m a g eo fc e r a m i ce l e m e n t sw a sc l a r i f i e da n dt h el u b r i c a t i o na n dt h e r m a lb e h a v i o r so fC R E B sw e r ed i s c u s s e d T h e f a i l u r em o d e sa n dd e s i g nc r i t e r i o nw e r ep u tf o r w a r d T h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo fC R E Bs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e da n ds o m e caseso ft y p i c a la p p l i c a t i o n sa n de x t r e m et e s t so fC R E B sw e r ed e m o n s t r a t e d T h et e c h n o l o g i c a lt r e n d sf o rf u t u r eh i g hq u a l i t yC R E B sw e r e f o r e c a s t e d I tp r o v i d et h ef u n d a m e n t a ls u p p o r t st oc a r r yo u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hi na d v a n c e dC R E Bt e c h n o l o g y ，c r e a t et h en e wk e y t e c h n o l o g i e si nt h ee x t r e m ec o n d i t i o n s ，d e v e l o pt h ee x t r e m e c a s e - o r i e n t e df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rC R E B s ，t r a n s f e rt h ed e v e l o p e dh i g h q u a l i t yC R E Bt e c h n o l o g ya n de x t e n dt y p i c a la p p l i c a t i o n sa n ds o l v et h eb e a t i n gt e c h n o l o g yp r o b l e m so fa d v a n c e de q u i p m e n t K e yw o r d s ：c e r a m i cr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g ；b e a r i n gd e s i g n ；u l t i m a t ep e r f o r m a n c e ；f a b r i c a t i o n ； 0引言 轴承是工业机械领域的关键基础件，素有“装备 的关节”之称。轴承性能的优劣直接影响和决定高端 装备的精度、寿命、极限转速、承载能力、耐温能力、稳 定性、可靠性和动态性能等关键指标，航空航天技术 对高质量轴承的需求尤其迫切。随着高端技术的发 展，装备的极限性能在不断突破和提升，相应地对轴 承| 生能的要求也越来越苛刻，轴承若发生严重磨损、过 热、咬死、润滑剂变质等将会直接导致装备和系统的止 转性恶性失效，因此，轴承对发展现代高端装备的重要 性越来越突出。在航空发动机设计中，轴承材料和技术 始终占到9 0 9 5 以上。可以说，轴承技术代表着发 动机极限转速、耐温能力和可靠性水平I 。目前，提高 发动机推力和燃油效率的直接方法依然是提高涡 轮进口温度和转子转速，而这会直接挑战轴承的极 万方数据 第2 期王黎钦等：高可靠性陶瓷轴承技术研究进腱 限转速性能、耐温能力、润滑性能和承载能力等，因 此，人类始终没有停止过研究开发新的轴承材料】。 研制开发陶瓷轴承的最初目标是提高航空航天国 防装备轴承的极限性能。2 0 世纪末，美、1 3 、欧等国 家和地区在各类技术计划的引导和资助下，完成了 大量的材料、应用基础、设计、制造工艺、质量控制 等基础研究，建立了可靠的基础数据。瑞典S K F 、德 国S c h a e t t l e r 等国际著名轴承公司都开发出高水平 的陶瓷轴承技术和产品，特别是热等静压烧结技术 ( H I P P e d ) 氮化硅( S i ，N 。) 陶瓷轴承为高端装备技术的 发展提供了核心技术支撑。经过4 0 多年的研究和 积累，S i ，N 。陶瓷轴承已经应用在直升机主传动装 置、航空A P U 、飞机附件传动、导弹发动机、火箭发 动机和航天卫星上，已成为高端制造装备中高速和 高功率主轴的标配轴承。 本文重点介绍了高可靠性陶瓷轴承技术在航空 发动机上的应用，并对陶瓷轴承技术的发展进行评述 和展望。 1 陶瓷轴承材料 轴承材料主要是指高铬抗疲劳轴承钢、耐高温工具 钢、高强度齿轮轴承一体化钢等轴承材料，包括G C r l 5 、 9 C r l 8 、M 5 0 、M 5 0 N i L 、C r o n i d u r 3 0 、B G 4 2 、X D l 5 N 、C S S 一 4 2 L 等，航空技术的发展对高温、高速、高可靠性轴承 及材料的的需求也越来越高，由此也促进了轴承材料 技术的发展。 氮化硅( S i ，N 。) 等精细工程陶瓷具有密度低、硬度 高、抗压强度高、稳定性好、耐高温、抗磨损、抗腐蚀、 抗冷焊、电绝缘和不导磁等优点，该类材料轴承可广 泛用于真空、高温、高速、低温、腐蚀、要求不导磁、不 导电和防冷焊等工况，还可适用于瞬时无润滑等特殊 工况，且对润滑剂污染敏感性小，适应性广泛。特别是 陶瓷与钢的动静摩擦系数小，且稳定，不易烧伤滚道 和发生冷焊，在恶劣工况下能够显著延长轴承的使用 寿命。德国早期研制的航空混合式陶瓷轴承1 5 J 如图1 所示。 由于存在夹杂、微型气孔和晶界玻璃相等，早期 陶瓷材料的脆性始终是影响长寿命轴承失效模式和 抗冲击能力的最直接因素之一。近年来，通过大量研 究，发展了陶瓷毛坯的热等静压烧结技术，通过控制 陶瓷粉体的纯度、粒径及其一致性、造粒过程与相成 图1德国F A G 开发的航空发动机用陶瓷轴承 分等，使氮化硅( s i ，N 。) 陶瓷轴承、氧化锆( Z r O ：) 陶瓷 轴承的综合性能大幅度提高，抗弯强度和断裂韧性等 关键指标都能满足要求，其中热等静压氮化硅陶瓷相 对密度可以达到9 9 9 以上，3 点抗弯强度高于1 0 0 0 牟 M P a ，断裂韧性可达到8 9M P a m2 以上，大大优于 县 滚动轴承的最低门槛值6M P a m2 。陶瓷与轴承钢材 料的主要参数对比见表1 。 近年来，随着陶瓷轴承在高端装备领域的推广应 用，材料对轴承质量的影响得到了广泛重视，I S O 2 6 6