某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落缺陷分析

劉遠(yuǎn)航 鞏孟祥 鄭麗 王鐵楠

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工業(yè)制造的集大成之作，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、加工復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)國(guó)家的工業(yè)實(shí)力要求較高。在組成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的眾多零部件中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承是其中的關(guān)鍵部分。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承也被稱之為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)節(jié)，其對(duì)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(dòng)機(jī)工作時(shí)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(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在工作中燒毀、抱死進(jìn)而造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)停車，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在使用中所出現(xiàn)的早期剝落進(jìn)行分析，查找原因并采取針對(duì)性的措施來(lái)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用質(zhì)量和使用壽命。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承；疲勞剝落；應(yīng)對(duì)措施

中圖分類號(hào)：V23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

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

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落產(chǎn)生的特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工作過(guò)程中由于轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境復(fù)雜將使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軸承常見(jiàn)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(kuò)展的海灘狀紋路，其多發(fā)生于套圈滾道和滾動(dòng)體表面。造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)主要有：次表面起源型和表面起源型兩大類。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承出現(xiàn)問(wèn)題將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用造成直接的影響。本文將結(jié)合某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在地面試驗(yàn)中所產(chǎn)生的疲勞剝落問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)疲勞剝落現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的分析測(cè)定找出疲勞剝落的原因以便采取措施提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命和使用質(zhì)量。

2 某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落實(shí)例

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

3 某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的試驗(yàn)觀測(cè)

對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)觀測(cè)用以確定疲勞剝落缺陷產(chǎn)生的原因。通過(guò)使用ZEISS體視顯微鏡對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的外圈整體完整，滾道工作軌未見(jiàn)明顯“偏異”，某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)度達(dá)到了滾道長(zhǎng)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承中的未剝落區(qū)域滾道存在碾壓麻坑。某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的保持架磨損較為嚴(yán)重，鍍層部分完全磨完。使用化學(xué)方法對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承所使用材質(zhì)進(jìn)行分析，確定該航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題。對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承磨損區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)，使用洛氏硬度計(jì)對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承表面硬度進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)各處硬度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行金相檢測(cè)，使用金相顯微鏡對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承未有疲勞剝落的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)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(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承金屬剝落的組織進(jìn)行金相觀測(cè)，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(xì)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(cè)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(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承非剝離區(qū)域進(jìn)行金相觀測(cè)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(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落半內(nèi)圈進(jìn)行人為斷口觀測(cè)，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(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落的原因分析

結(jié)合某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落表面的宏觀分析可以判定某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落區(qū)域?yàn)榻佑|性疲勞。結(jié)合某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落區(qū)域?yàn)槟承吞?hào)航動(dòng)機(jī)軸承在工作時(shí)在外界交變載荷作用下最大應(yīng)力區(qū)中的最薄弱處，加之某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)致某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在交變應(yīng)力的作用下出現(xiàn)“蝴蝶形缺陷”。通俗來(lái)說(shuō)就是某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在交變載荷的作用下受到兩側(cè)相互擠壓擴(kuò)展繼而形成冷作硬化和塑性變形，并產(chǎn)生相變。通過(guò)金相、電鏡、化學(xué)等的觀測(cè)確定造成某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象主要是由于某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承滾道次表面存在微觀過(guò)燒孔洞缺陷，這是導(dǎo)致某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承出現(xiàn)早期疲勞剝落的主要原因。過(guò)燒孔洞缺陷主要是由于在金屬制造過(guò)程中加熱溫度、保溫時(shí)間等超過(guò)相關(guān)工藝要求，致使材料過(guò)熱所形成。

5 某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞剝落缺陷的應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)過(guò)燒孔洞缺陷，在某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的制造過(guò)程中應(yīng)當(dāng)積極加強(qiáng)對(duì)于鍛造工藝的執(zhí)行，通過(guò)嚴(yán)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在制造過(guò)程中出現(xiàn)局部加熱問(wèn)題，加裝爐溫檢測(cè)控制儀器儀表做好某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承制造過(guò)程中爐內(nèi)溫度、爐氣流動(dòng)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(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承制造前需要對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損間隙，避免金屬材料中存在鍛造缺陷。無(wú)損檢測(cè)法可以使用水漫超聲法。

結(jié)語(yǔ)

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

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