某型号航空发动机轴承疲劳剥落缺陷分析

刘远航 巩孟祥 郑丽 王铁楠

摘 要：航空发动机是工业制造的集大成之作，其设计结构复杂、加工精度高、加工复杂，对于一个国家的工业实力要求较高。在组成航空发动机的众多零部件中，航空发动机轴承是其中的关键部分。航空发动机轴承也被称之为航空发动机的关节，其对于制造精度、制造材料的要求都极高，尤其是要能够在航空发动机工作时所产生的高温下正常工作，如果材料、制造精度不到位将容易导致航空发动机轴承在工作中烧毁、抱死进而造成航空发动机停车，从而产生严重的后果。本文结合航空发动机轴承在使用中所出现的早期剥落进行分析，查找原因并采取针对性的措施来提高航空发动机轴承的使用质量和使用寿命。

关键词：航空发动机轴承；疲劳剥落；应对措施

中图分类号：V23 文献标志码：A

0 前言

航空发动机轴承是组成航空发动机的基础性零部件，航空发动机的性能与航空发动机轴承有着直接而紧密的联系。航空发动机轴承工作时将以超高的转速在高温、高压下进行工作，严苛的工作环境容易造成航空发动机轴承的失效或是损坏。疲劳剥落是航空发动机轴承在应用过程中较为常见的一种现象，其所产生的原因较为复杂，为提高航空发动机轴承的使用寿命需要对引起疲劳剥落的原因进行分析并采取针对性的措施予以解决。

1 航空发动机轴承疲劳剥落产生的特点

航空发动机轴承工作过程中由于转速高、工作环境复杂将使得航空发动机轴承的使用质量和使用寿命大打折扣。疲劳剥落是航空发动机轴承常见的损害方式之一，其表现为具有一定的深度和面积，且滚道表面呈现出凹凸不平的鳞状或是疲劳扩展的海滩状纹路，其多发生于套圈滚道和滚动体表面。造成航空发动机轴承出现疲劳剥落的原因众多且现今比较统一的观点主要有：次表面起源型和表面起源型两大类。航空发动机轴承出现问题将对航空发动机的使用造成直接的影响。本文将结合某型号航空发动机轴承在地面试验中所产生的疲劳剥落问题进行分析，通过对疲劳剥落现象进行详细的分析测定找出疲劳剥落的原因以便采取措施提高航空发动机轴承的使用寿命和使用质量。

2 某型号航空发动机轴承疲劳剥落实例

某型号航空发动机轴承采用8Cr4Mo4V型钢利用热锻成型工艺加工而成，在实际航空发动机地面试验中发现其出现了滚道剥落的现象。某型号航空发动机轴承所采用的热锻成型工艺在改善金属组织、压实金属紧密性以及提高轴承强度等方面都有着较大的优势，但是采用热锻工艺容易使得套圈在热锻中出现缺陷，进而导致某型号航空发动机轴承在使用中出现剥落缺陷。结合某型号航空发动机轴承的剥落缺陷进行金相、宏观、化学、力学等方面的检测，确定某型号航空发动机轴承产生剥落的原因，采取针对性的措施予以解决。

3 某型号航空发动机轴承的试验观测

对某型号航空发动机轴承疲劳剥落区域进行检测观测用以确定疲劳剥落缺陷产生的原因。通过使用ZEISS体视显微镜对某型号航空发动机轴承剥落区域进行观测后发现，某型号航空发动机轴承的外圈整体完整，滚道工作轨未见明显“偏异”，某型号航空发动机轴承滚道滚迹内存在显著的碾压麻坑，剥落区域主要集中在双半内圈的右侧半圈，且剥落区域的长度达到了滚道长度的近1/3左右，剥落区域表面呈现出凹凸不平的鳞状，呈现出海滩状纹路，且某型号航空发动机轴承中的未剥落区域滚道存在碾压麻坑。某型号航空发动机轴承的滚珠表面存在着轻微变色且分布着猫眼形状的磨损痕迹。

某型号航空发动机轴承的保持架磨损较为严重，镀层部分完全磨完。使用化学方法对某型号航空发动机轴承所使用材质进行分析，确定该航空发动机轴承所使用材质符合相关使用规范，材质方面不存在问题。对某型号航空发动机轴承磨损区域进行硬度检测，使用洛氏硬度计对某型号航空发动机轴承表面硬度进行检测发现各处硬度均符合相关标准要求。

对某型号航空发动机轴承进行金相检测，使用金相显微镜对某型号航空发动机轴承未有疲劳剥落的区域进行观测，发现观测区域的金属组织为针状马氏体+二次碳化物+一次碳化物，金属組织符合相关规范要求。对某型号航空发动机轴承金属剥落的组织进行金相观测，发现剥落区域金属次表面存在多处类似蝴蝶形白色组织，且蝴蝶形白色组织区域分布着众多的细小裂纹，此外，剥落区域次表面及内部存在大量不同尺寸、形状的尖角空洞缺陷，且在观测中发现尖角孔洞的边缘区域存在着碳化物和微小的裂纹。对某型号航空发动机轴承非剥离区域进行金相观测后发现，非剥离区域同样存在着大量的不同形状的尖角孔洞，且这些孔洞多分布在晶粒界面上，但是相比于剥离区域其孔洞分布较少。对某型号航空发动机轴承剥落半内圈进行人为断口观测，发现断口区域表面存在着大量的晶粒棱面，形似石状断口。使用扫描电镜对某型号航空发动机轴承剥落区域进行观测后发现剥落区域除了存在着大量的孔洞外还存在着晶粒局部熔化、高温所形成的鱼骨状共晶碳化物。

4 某型号航空发动机轴承疲劳剥落的原因分析

结合某型号航空发动机轴承剥落表面的宏观分析可以判定某型号航空发动机轴承剥落区域为接触性疲劳。结合某型号航空发动机轴承剥落区域所出现的“蝴蝶状裂纹”以及扫描电镜所显示出的分布于裂纹周边的碳化物，可以确定某型号航空发动机轴承剥落区域为某型号航动机轴承在工作时在外界交变载荷作用下最大应力区中的最薄弱处，加之某型号航空发动机轴承所使用材料本身内部所存在的孔隙、裂纹夹杂等将容易导致某型号航空发动机轴承在交变应力的作用下出现“蝴蝶形缺陷”。通俗来说就是某型号航空发动机轴承在交变载荷的作用下受到两侧相互挤压扩展继而形成冷作硬化和塑性变形，并产生相变。通过金相、电镜、化学等的观测确定造成某型号航空发动机轴承出现疲劳剥落现象主要是由于某型号航空发动机轴承滚道次表面存在微观过烧孔洞缺陷，这是导致某型号航空发动机轴承出现早期疲劳剥落的主要原因。过烧孔洞缺陷主要是由于在金属制造过程中加热温度、保温时间等超过相关工艺要求，致使材料过热所形成。

5 某型号航空发动机轴承疲劳剥落缺陷的应对措施

针对过烧孔洞缺陷，在某型号航空发动机轴承的制造过程中应当积极加强对于锻造工艺的执行，通过严格执行正确的加热规范采取合理的装炉方式，避免某型号航空发动机轴承在制造过程中出现局部加热问题，加装炉温检测控制仪器仪表做好某型号航空发动机轴承制造过程中炉内温度、炉气流动的控制，使得炉内金属得到均匀的加热。此外，在使用金属用于某型号航空发动机轴承制造前需要对金属进行无损间隙，避免金属材料中存在锻造缺陷。无损检测法可以使用水漫超声法。

结语

航空发动机轴承的制造质量与使用寿命直接影响着航空发动机的使用质量与使用寿命。本文结合某型号航空发动机轴承疲劳剥落缺陷通过对其进行宏观、金相、化学以及电镜检测，确定了某型号航空发动机轴承疲劳剥落缺陷主要是由于所使用材料中存在过烧组织所造成的，并就如何做好某型号航空发动机轴承的处理进行了分析介绍。

参考文献

[1]李青，佟文伟，张开阔，等.某航空发动机轴承钢球失效分析[J].航空发动机，2015，41（3）：93-96.

[2]班君，郑艳华，刘秀莲，等.航空发动机轴承剥落分析[J].失效分析与预防，2016，11（6）：377-382.

[3]冯小川，刘旭东，刘森.航空发动机低压轴前支点轴承内圈剥落故障分析[J].失效分析与预防，2017，12（2）：121-125.