劉文龍，劉魯，楊宇

(中國航空發(fā)動機集團 沈陽發(fā)動機研究所 航空發(fā)動機動力傳輸重點實驗室，沈陽 110015)

鎢摻雜類金剛石(W-DLC)薄膜能夠起到減摩、耐磨的作用[1]，可提高軸承壽命和可靠性，近年來已逐步應用于航空發(fā)動機主軸軸承。

為了確保W-DLC鍍膜能夠適應航空發(fā)動機主軸軸承dn值高，載荷大，溫度高等惡劣工況[2]，已經開展了很多試驗研究，試驗后軸承及薄膜情況均較為良好[3]。但目前針對W-DLC鍍膜球軸承的研究試驗相對較少，主要是由于鋼球的W-DLC鍍膜工藝更加復雜[4]。鑒于此，現以某型發(fā)動機三點角接觸球軸承為例，采用表面PVD鍍膜技術對軸承溝道及鋼球進行W-DLC鍍膜[5]，并開展軸承性能試驗研究，探討W-DLC薄膜在航空發(fā)動機主軸球軸承的適用性及未來研究方向。

1 試驗

1.1 試樣

試驗軸承采用某型發(fā)動機用雙半內圈三點角接觸球軸承，材料為M50，軸承主要參數見表1，鍍膜參數見表2。其中，外圈擋邊鍍TiN是為了增加軸承的耐磨性。為對比鍍膜后軸承的實際應用效果，增加1套無鍍膜的三點角接觸球軸承進行對比試驗。

表2 軸承鍍膜參數

1.2 試驗設備

試驗在某型發(fā)動機高溫軸承試驗機上進行，其結構如圖1所示。該試驗機能夠同時安裝2套試驗軸承，可承受大小相等的軸向載荷，適合開展對比試驗。

1—加載頭；2，3—試驗軸承；4—承力殼體；5，6—支承軸承

1.3 試驗條件及方法

試驗軸承采用環(huán)下供油及噴射供油的聯合供油方式，總供油量為10.0～11.3 L/min，供油溫度參考發(fā)動機常用水平及試驗機溫度控制能力，要求為70～120 ℃。內圈與軸過盈配合要求為-0.062～-0.027 mm，外圈與軸承座配合要求為-0.024～+0.016 mm，均與發(fā)動機保持一致。

本試驗屬于驗證性、對比性試驗，各工況條件均與某型發(fā)動機三支點主軸軸承考核試驗要求一致。試驗分為磨合試驗和正式試驗，二者除工況譜不同外，軸承潤滑、安裝等保持一致。磨合試驗條件見表3，磨合試驗主要是為了消除由于制造、裝配等誤差導致的密封襯套與軸間可能出現的碰磨現象。

表3 磨合試驗條件

磨合過程中軸承溫度、回油溫度、電流、電壓、振動、噪聲等均無異常，磨合后對試驗軸承油腔油樣進行光譜分析，結果顯示無異常，進入正式試驗。

正式試驗工況譜(1個循環(huán))如圖2所示，其中(50 kN，1.00)狀態(tài)點運行時間為15 min，其余均為2 min，(10 kN，0.72)為程序起點，1.00相對轉速對應物理轉速14 675 r/min；軸承徑向載荷始終為2 900 N。正式試驗過程中監(jiān)測供油溫度、回油溫度、軸承(外圈)溫度、電主軸電流等數據。

圖2 正式試驗載荷圖譜

2 結果與分析

試驗完成20個工況譜后，發(fā)現試驗機存在振動增大的趨勢，拆下軸承進行檢查，并檢查鍍膜情況，發(fā)現鍍膜和未鍍膜試驗軸承的內圈與軸之間均出現了相對運動的痕跡，但軸承未失效。

對試驗軸承進一步檢查后發(fā)現鍍膜軸承內、外圈溝道接觸軌跡以及鋼球表面W-DLC涂層已經發(fā)生明顯脫落，脫落部位形貌如圖3所示，圖中深色部分為W-DLC鍍膜區(qū)域，淺亮色部分為鍍膜已脫落區(qū)域，外圈擋邊TiN涂層無明顯變化。

圖3 軸承零件脫落形貌

W-DLC薄膜為3層結構，底層為CrN層，中間為柱狀CrCN層，表面為摻雜W的DLC層。對脫落部位進行成分分析，結果見表4。由表可知，薄膜脫落部位相比于鍍膜部位的W元素含量明顯下降，但相比于軸承基體材料，Cr元素含量仍較高，因此可以判斷是表面摻雜W的DLC鍍層脫落。

表4 不同位置軸承材料成分

由于鋼球與套圈為點接觸，球軸承接觸應力明顯高于滾子軸承，應是其薄膜脫落的主要原因。經計算，試驗軸承內圈最大接觸應力超過2 200 MPa，外圈最大接觸應力超過2 000 MPa，高于航空發(fā)動機主軸滾子軸承的接觸應力水平(一般不超過1 800 MPa)。

某循環(huán)過程中潤滑油回油溫度及軸承外圈溫度如圖4所示。由圖可知，相同供油溫度下，鍍膜軸承與未鍍膜軸承的回油溫度相差不大，未鍍膜軸承外圈溫度比鍍膜軸承高15 ℃左右?？紤]到2種軸承的供油量和供油溫度基本一致，但工作中鍍膜軸承溫度更低，因此鍍膜軸承的發(fā)熱量更小，主要是由于鋼球與套圈的M50基體經過W-DLC鍍膜后，干摩擦因數由0.70下降至0.15，接觸載荷相同時，鍍膜軸承的摩擦發(fā)熱量更小，摩擦接觸區(qū)向外圈的熱傳遞更少，外圈溫升較小。此外，鍍膜軸承雖然發(fā)生薄膜脫落，但在短時間內并未導致鍍膜軸承出現剝落、斷裂等失效性故障。

圖4 軸承回油溫度和軸承溫度曲線

本試驗為驗證性試驗，考慮到試驗成本等問題，試樣發(fā)生鍍膜脫落后并未繼續(xù)進行試驗，因此試驗結果具有一定的隨機性?？紤]到該軸承在發(fā)動機上工作時，由于機動過載等情況可能導致其受載更大，可以判斷其鍍膜可靠性一般，存在一定脫落風險。

3 結論

1)試驗后鍍膜軸承套圈工作區(qū)和鋼球表面均出現W-DLC薄膜脫落現象，在高接觸應力水平下鍍膜的可靠性一般。

2)薄膜脫落在短時間內未導致軸承出現剝落、斷裂等失效性故障。

3)鍍膜軸承與未鍍膜軸承的供回油溫度相近，但鍍膜軸承外圈溫度較未鍍膜軸承低15 ℃左右，其摩擦性能優(yōu)于未鍍膜軸承。

航空發(fā)動機主軸球軸承W-DLC鍍膜技術在后續(xù)研究中要著重注意膜基結合力，尤其是表面摻雜W的DLC表層結合力與中間層之間的結合力應繼續(xù)開展深入研究。