航空发动机轴承新材料
韧性断裂
一、航空发动机轴承新材料
1.M50NiL轴承钢
从1955年到1980年25年间,航空发动机轴承的转速稳定增长,dn值已达到近2.5百万。进入九十年代,航空发动机的高速和高温对滚动轴承提出了更高的要求。然而,现有的轴承钢,即使是专用的耐高温轴承钢,如M50,18-4-1和14Cr-4Mo家族的各种派生钢种,如CRB-7和GB-42,在明显高于目前发动机轴承的温度下仍能正常工作。但还有一个重要的制约因素,这就是淬透钢轴承套圈在超高速条件下的易断裂性,这种故障发生时很少或根本没有前兆。
为了出一种既有M50轴承钢所具有的性能,且断裂性更好的轴承钢,SKF的MRC轴承公司在美国空军的支持下开展了一系列研究工作,最终选择了M50NiL。
M50NiL除断裂韧性有所提高外,与其它高温淬透轴承材料相比,显微组织和疲劳强度也都很好。其原因之一是M50iL中没有大颗粒碳化物,因此,这种钢对碳化物引起的疲劳裂纹不敏感。
尽管M50NiL原料的勘探比M50容易,且材料的轧制和锻造更方便,但要想得到所需的理想淬透层、芯部显微组织和一定的材料特性,必须精确控制淬火和热处理工艺。为研究M50NiL处理方
法,SKF付出了很大的努力,投入了大量的资金。MRC技术人员认为,通过热处理可使这种材料在邻近滚道表面处产生残余压应力,在高dn值条件下,该应力区可抵消圆周应力的作用,从而提高轴承寿命。采用SKF相奕控制工艺,可得到较高的压应力,而且淬硬深度比传统工艺高三倍。SKF曾用传统的方法对M50NiL做过热处理试验,得出的材料断裂韧性值为275~350MPa-m1/2,在轴承传速达到dn=3百万时,具有良好的止裂特性。要提高轴承转速和/或产生更大的表面缺陷,断裂韧性值就必需接近700MPa-m1/2。为了提高芯部韧性,SKF开发了一种工艺,可使热处理后的M50NiL在不丧失表面特性的情况下得到一个特定的芯部韧性。SKF研究人员发现,该工艺还可提高残留压应力,从而进一步提高轴承的性能及可靠性。这种工艺包括将工件从奥氏体化温度冷却到芯部和表层马氏体开始形成的温度之间的一个温度,然后将工件加热到一个较高的温度,并在表层(淬硬层)冷却和相变之前回火芯部。通过选择适当的芯部回火循环,可将芯部热处理到所需的韧度和强度,而不会对表层特性有太大的影响。业已证明,根据所选择的芯部回火温度,芯部硬度应控制在30~45HRC。这种芯部韧性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到,现在KSF的热处理工艺使具有良好的耐高温性能的M50NiL也具有宋的芯部韧性。此外,SKF研究人员还发现这种表面淬硬钢还具有其它一些特点。一是表面处理。象渗氮铁(FCN)这样的表面处理对M50NiL具有有利的影响,它可在不含碳化物显微组织的表
面产生高压应力区(>1000MPa)。预期这种处理方法可提高抗腐蚀性、耐磨性和抗表面引起疲劳的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低,因此,在需要将轴承与法兰或其它相类似的部件或材料连接起来制造单元轴承和复合结构部件时,可使用这种材料以降低成本。
目前,用M50NiL制造的轴承正在世界上12种不同的飞机发动机上进行试验或应用,SKF公司处于世界领先地位。
2.陶瓷材料
为飞机提供动力的燃气涡轮发动机效率极高,可使飞机速度达到3马赫以上。发动机主轴轴承的工作条件要求非常高,预计主轴转速要超过30000转/分,轴承最高极限温度约800~900℃。从研究可以看出,在650℃以上的工作温度以使用高温合金材料,要想得到长寿命,希望渺茫,而陶瓷材料为轴承工作温度提高到明显高于650℃带来了希望。
SKF通过研究,选出了一组可以满足超高温轴承工作要求的高性能陶瓷材料,在1100℃以上高温条件下,这些陶瓷材料中,有一种性能最佳,这就是过去十年里人们研制出的热压氮化硅或等压氮化硅(Si3N4)。氮化硅之所以是理想的材料,是因为它具有良好的高温强度和硬度,以及有
利的强度/重量关系。当润滑充分时,还具有极佳的抗滚动疲劳特性。1984年,SKF就在美国用固体润滑剂对该材料进行了500℃以上高温下的长期试验。
然而,氮化硅也有缺点,其中包括抗拉强度低,止裂韧性差和热膨胀系数极低等。因此,要制造和应用陶瓷轴承,还需要做大量的研究工作。
目前,SKF研究人员正在对碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)和氧化氮硅铝(SiAlON)等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的适用性进行评定,SKF已将碳化硅用于40000转/分的轴承试验。碳化硅作为高温轴承的有利性能是良好的热传导率、热扩散性和抗氧化性以及材料的高纯度(几乎不存在因杂质造成的影响),其不利因素之一是弹性模数高,约高出热压氮化硅50%,这一点被认为是一个潜在的问题,因为它有产生高赫兹接触应力的危险。SKF研究人员曾试图考虑过通过调整滚道的曲率比来减少这方面的影响,但这样做又会导致摩擦升热的加剧。
3.固体润滑剂
由于未来飞机发动机的计算工作温度很高,要对这种工作条件下的轴承进行有效的润滑,目前现有的各种合成润滑剂都无能为力。众所周知,在温度超过液体润滑剂所允许的极限时,可使用含有各种不同化学元素的氧化物、硫化物和氟化物等耐高温、性能稳定的固体化合物。
许多普通的固体润滑剂之所以成为有效的润滑剂,是由于其晶格很容易被断开,如石墨和二硫化钼就是这样。在空气中,石墨润滑的温度极限范围取决于其氧化程度。通过添加氧化剂或金属盐,可明显提高氧化极限,从而改善轴承表面石墨膜的性能。
SKF的试验表明,氮化硅用含有高温添加剂的石墨来润滑,其表面可形成一层耐摩擦化学膜,它可降低氮化硅的摩擦系数,使摩擦温升降至最小。
SKF还对其它一些可承受550℃以上高温的固体润滑剂进行了研究,它们的热稳定性比石墨和二硫化钼还好。目前,MRC轴承公司正在对一氧化铅(PbO)、一种共晶氟化钙/氟化钡(CaF/BaF)混合物和一种铯钼化合物进行试验。一种耐高温、且润滑性能良好的固体润滑剂可望在不久的将来问世。
二.轴承材料热处理新工艺
目前航空发动机轴承的标准材料是在温度高达300℃的条件下具有很好的疲劳强度的高速钢。但当轴承以高速或超高速运转时,这种材料的断裂韧性、硬度和抗裂纹产生及扩展性等材料特性都不能满足要求。为了改善材料组织,提高材料性能,满足飞机发动机技术发展对轴承
的要求,SKF对现有三种不同的轴承材料进行了研究,并通过实验说明了材料组织性能之间的相互关系。这三种材料是,一种铸造热轧钢(M2),一种粉末冶金材料(ASP23)和一种含碳0.65(重量百分比)、合金元素含量低的高速钢派生材料。
1.断裂韧性
在飞机发动机中,由于轴承转速极高,并由此产生强大的离心力,因此轴承材料的断裂韧性尤为重要。
在淬硬的高速钢中,断裂过程包括起始碳化物裂纹引起的缝隙出现,或裂纹末端的弹性区中由于马氏体基体组织造成的减聚力产生。SKF对这三种材料的研究表明,随着材料韧性的提高,材料硬度降低,而且淬火温度下降。这主要是由于马氏体含量较低和半生的基体组织弹性的提高所至。钢中大部分碳化物由较低的温度淬硬,它们择断裂韧性产生不利的影响。在硬度低的情况下,由于材料屈服强度的降低,低硬度钢断裂植之间的差别取给取决于碳化物的具体分布情况,在硬度高的情况下,碳化物所占的体积下降,碳化物之间的间隙和弹性的大小约相同,此时,断裂韧性就不再主要取决于碳化物的分布,而且基体组织弹性也最小。所以这三种材料的断裂韧性值集中在750HV和更高的硬度。在硬度低、弹性区大的情况下,通过提高碳化物直径或在
硬度不变的条件下减少碳化物的比值可提高断裂韧性。而且,当硬度提高时,断裂韧性值的变化速度便下降。当弹性区小而碳化物之间间隙大时,基体组织对断裂韧性影响最大。

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