中國粉體網訊 近日，由北京航空材料研究院實施的航空發動機關鍵構件抗疲勞壽命試驗突破5萬小時，標志著我國高端裝備制造技術取得全新突破。據了解，此次進行疲勞試驗的關鍵構件是由我國自主研制的航空發動機主軸承，在試驗器上等效加速試驗疲勞壽命5萬小時未失效，更為重要的是，這項試驗也創造了我國新的紀錄。
軸承作為工業機械領域的關鍵基礎件，素有“裝備的關節”之稱。軸承性能的優劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉速、承載能力、耐溫能力、穩定性、可靠性和動態性能等關鍵指標，航空航天技術對高質量軸承的需求尤其迫切。
在航空發動機設計中，軸承材料和技術始終占到90%～95%以上。可以說，軸承技術代表著發動機極限轉速、耐溫能力和可靠性水平。軸承材料主要是指高鉻抗疲勞軸承鋼、耐高溫工具鋼、高強度齒輪軸承一體化鋼等軸承材料，航空技術的發展對高溫、高速、高可靠性軸承及材料的的需求也越來越高，由此也促進了軸承材料技術的發展。
航空陶瓷軸承材料
陶瓷軸承研制開發的最初目標是提高航空航天國防裝備軸承的極限性能。瑞典SKF、德國Schaeffler等國際著名軸承公司都開發出高水平的陶瓷軸承技術和產品，特別是熱等靜壓燒結氮化硅陶瓷軸承為高端裝備技術的發展提供了核心技術支撐。經過50多年的研究和積累，Si3N4陶瓷軸承已經應用在直升機主傳動裝置、航空APU、飛機附件傳動、導彈發動機、火箭發動機和航天衛星上，已成為高端制造裝備中高速和高功率主軸的標配軸承。
德國FAG陶瓷軸承
近年來，隨著陶瓷軸承在高端裝備領域的推廣應用，材料對軸承質量的影響得到了廣泛重視，ISO26602:2009《Fine ceramics(advanced ceramics,advanced technical ceramics)—Silicon nitride materials for rolling bearing balls》對滾動軸承氮化硅陶瓷材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、彎曲強度、硬度、斷裂韌性、顯微結構、材料分級等性能指標給出了明確的測量方法和范圍，ASTM F 2094/F2094M-08《Standard Specification for Silicon Nitride Bearing Balls》除了對材料質量標準明確要求外，還明確規定了氮化硅陶瓷球的化學成分、表面質量、檢測方法、幾何參數以及等級用途等。
航空陶瓷軸承的設計與驗證技術
為了充分發揮陶瓷新材料的優勢，陶瓷軸承往往需要突破鋼軸承的極限性能，如高速性能、高溫性能、長壽命質載和高可靠性等。因此與通用滾動軸承設計不同，在設計陶瓷軸承時，除了需要設計基本的結構參數外，還需要面向工況開展表面摩擦學性能的匹配性設計、材料匹配性設計、結構動態性能設計、熱特性設計、潤滑性能相容性設計和工作性能設計等，但設計理念和結果還需要進一步驗證。
在航空陶瓷軸承材料匹配性設計方面，重點考慮軸承的抗疲勞能力匹配問題，過大的硬度差會導致軸承元件的過早疲勞和不對稱疲勞。FAG研究結果顯示，Si3N4陶瓷與M50NiL鋼以及Cronidur 30鋼組成的混合式陶瓷軸承性能匹配最佳。哈爾濱工業大學的長期研究結果則表明，通過材料配方與組分設計及軸承鋼表面的2次改性處理技術，將陶瓷元件的硬度從高向低調整，將軸承鋼滾道承載區域改性和表面改性適當提高，其壽命相應比全鋼軸承延長1.5～2倍。
作為航空軸承的新型材料，航空陶瓷軸承還要經過大量的適應工作狀況的試驗。壽命驗證試驗是最基本的試驗，還需要完成高速試驗、極限溫升試驗、抗污染能力試驗、斷油試驗和葉片脫落沖擊試驗等。經過大量的試驗可以得到清晰的邊界的各種參數，并為陶瓷軸承的設計提供科學依據。
航空陶瓷軸承的制造技術與質量控制技術
盡管Si3N4陶瓷在所有的工程陶瓷中具有優異的綜合性能，但與軸承鋼相比，其低韌性、高硬度和中等彎曲強度依然是陶瓷材料對損傷和缺陷敏感的致命弱點，因而低缺陷毛坯、低損傷加工工藝和無損檢測是保障陶瓷軸承質量一致性和工作可靠性的最直接手段，即使是采用熱等靜壓制造的氮化硅陶瓷滾動體亦如此，因此，高可靠性的陶瓷軸承需要100%的無損探傷來保證。陶瓷無損檢測技術分為毛坯檢測技術和成品檢測技術，其中聲發射共振技術和激光材料評價技術在高端應用中具有良好的前景。
氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷軸承中重要的組成部分，氮化硅陶瓷球的滾動接觸疲勞是衡量氮化硅陶瓷軸承性能的一個重要的性能指標，表面氣孔數量、氣孔尺寸、氣孔分布均勻性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球殘余應力及潤滑條件均對氮化硅陶瓷球滾動接觸疲勞強度有較大影響。
氮化硅陶瓷球的制造過程可以分為四個階段。第一階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結助劑以一定的比例均勻混合。第二階段為氮化硅陶瓷球的成型，常用的有擠出成型、注射成型、干法壓制成型及注漿成型等成型方法。第三階段為氮化硅陶瓷球致密化燒結，燒結方法有常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結與熱等靜壓燒結。第四階段為后處理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和拋光。
由于存在夾雜、微型氣孔和晶界玻璃相等，早期陶瓷材料的脆性始終是影響長壽命軸承失效模式和抗沖擊能力的最直接因素之一。近年來，通過大量研究，發展了陶瓷毛坯的熱等靜壓燒結技術，據中國粉體網小編了解，通過控制陶瓷粉體的純度、粒徑及其一致性、造粒過程與相成分等，使氮化硅陶瓷軸承的綜合性能大幅度提高，抗彎強度和斷裂韌性等關鍵指標都能滿足要求，其相對密度可以達到99.9%以上，3點抗彎強度高于1000MPa，斷裂韌性可達到8～9MPa·m1/2以上，大大優于滾動軸承的最低門檻值6MPa·m1/2。
航空陶瓷軸承技術發展趨勢
航空軸承技術的發展歷史表明，從M50到M50NiL、Cronidur 30，再到目前正在推廣使用的氮化硅陶瓷材料，每次軸承材料的改進都推動著航空軸承技術的快速發展。陶瓷軸承以其優異的性能，能夠為航空裝備領域發展提供重要基礎技術保障，高性能的陶瓷軸承將是應對航空裝備高速化發展的有效技術途徑之一。
未來航空陶瓷軸承的技術發展趨勢包括：
高韌高強材料技術。據中國粉體網小編了解，采用高純、高球型度和粒徑分布相對集中的氮化硅粉，經過脫氧和脫碳等預處理，去除粉體中的有害成分，進行熱等靜壓燒結，通過工藝優化，提高燒結助劑分散均勻性和陶瓷晶粒長徑比，可達到制備顯微結構均勻、抗彎強度1000MPa以上、斷裂韌性8～9以上的優質陶瓷毛坯材料。
低成本批量穩定生產技術。陶瓷軸承的成本包括全壽命期研發費用、產品費用和維修費用，高成本依然是制約目前高端陶瓷軸承系統深入研究的影響因素，在應用中還主要依賴全鋼軸承，同時高成本還源于主機技術復雜、對軸承需求批量小和可靠性要求高等特點。
輕質化結構，精確設計技術。航空傳動系統技術要求結構輕、可靠性高。為此基于軸承接觸力學性能、熱學性能、摩擦學性能匹配與分析、軸承動力學性能、軸承-轉子系統動力學性能、軸承-基座結構力學分析的軸承精確設計技術依然是重點發展趨勢；此外，通過極限性能的精確設計，發展先進的表面抗疲勞技術、高速高溫固體潤滑技術、脂潤滑技術、C-C輕型保持架技術，改善軸承內部沖擊，降低軸承發熱，簡化軸承潤滑系統，可以進一步減少零件數量和減輕主機質量，這對有限壽命和異常情況下航空裝備的安全將帶來突破性技術變革。
陶瓷軸承的運行健康狀態監控技術�，F代航空器的轉速、溫度和載荷越來越高，而軸承性能的波動和軸承失效都會導致嚴重的系統問題或者失效，智能健康監測系統是航空裝備技術監測的總體發展趨勢，軸承和齒輪的健康狀態監測是其核心技術之一。
無損檢測和可靠性評價技術。陶瓷滾動體是多相燒結材料，其滾動接觸疲勞壽命受原材料、工藝、工況和工作歷史等參數明顯影響，因此軸承壽命的離散度大，可靠性評價還存在技術困難。發展對表面和次表層缺陷和損傷的無損檢測技術，特別是快速可靠的無損檢測技術，控制陶瓷元件的成品質量，定量研究損傷模式和規律、極限抗損傷能力，建立可靠性評價模型，都是陶瓷軸承高可靠性應用的重點關注技術。
參考來源：
王黎欽等，高可靠性陶瓷軸承技術研究進展，哈爾濱工業大學
饒水林，航空發動機用氮化硅陶瓷軸承技術研究現狀，江西昌興航空裝備股份有限公司
（中國粉體網編輯整理/平安）
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