面向极端工况的Si3N4全陶瓷轴承关键技术与研究进展

李颂华,魏超,吴玉厚,张丽秀

(沈阳建筑大学 a.机械工程学院;b.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,沈阳 110168)

1 概述

轴承作为航空发动机、精密机床、高速列车等重大装备的关键基础部件,围绕轴承开展的设计、制造与服役相关关键技术直接体现了国家高端制造的能力和水平[1]。随着高端装备技术的发展,轴承的使用环境越来越多样化,对轴承服役性能的要求也越来越苛刻[2-6]。当前主流轴承钢种已不能满足或不能充分满足主机对轴承的要求,特别是在极端工况下服役的轴承,如航空发动机轴承[7]、大型低温风洞轴承[8]、液体火箭涡轮泵低温轴承[9]、超高速机床主轴轴承等对服役性能的可靠性要求格外严苛[10]。以航空发动机为例,造成某型号发动机提前报废更换及空中停车的故障原因,分别有60%和37.5%与发动机滚动轴承磨损类故障有关。例如2005年某型号飞机发生飞行事故,事后分解检查发动机事故原因为主轴轴承滚道磨损及保持架断裂导致的抱轴失效(图1)[11],其中轴承材质为M50NiL轴承钢。

图1 航空发动机轴承磨损失效实例

轴承在极端工况服役过程中所面临的技术局限性主要集中在轴承零件间的摩擦接触及润滑等行为。文献[12]研究了极端温度工况下轴承的摩擦磨损性能,其对轴承钢接触表面进行硬质涂层及离子注入处理,提高了材料在极端温度工况下的耐磨损和耐腐蚀性能,为后来极端工况下的轴承技术发展提供了研究基础。文献[13]从轴承材料性能角度对多种高性能轴承钢进行了对比分析,现阶段不同轴承钢围绕材料硬度、尺寸稳定性、耐高温性、耐腐蚀性、疲劳寿命等指标并不能实现整体性能提升,通常一项性能指标的提升往往以“牺牲”另一项性能指标为代价。因此,针对极端工况下服役的高性能轴承,在轴承材料性能、轴承设计、制造及服役等核心技术领域同时开展研究已成为解决当前高性能轴承“卡脖子”关键技术的突破口。

近年来,以氮化硅(Si3N4)陶瓷材料为代表的新材料技术在工程中逐渐得到应用,在部分领域逐步实现了对传统金属材料的替代。Si3N4陶瓷的热变形系数仅为轴承钢材料的1/4～1/5,在高温、低温及高低温交变工作条件下都能保证材料服役性能稳定且工作寿命长。此外,陶瓷材料还具有密度小,高速环境下承载能力强,抗磨性能好,故障率低等特性[14-15]。围绕陶瓷轴承技术领域的相关研究工作已逐步得到开展:文献[16]分析了目前国内Si3N4陶瓷轴承技术发展现状,发现在高精度陶瓷轴承关键技术领域仍缺乏先进的理论与工艺技术;文献[17]通过比较分析Si3N4陶瓷轴承和传统钢制轴承的服役性能、技术发展现状及未来发展趋势,认为Si3N4陶瓷轴承在超高温、重载、腐蚀等工况下的服役特性较传统钢制轴承有明显的技术优势,但因其材料本身硬脆特性导致Si3N4材料在提升其综合力学性能和机械加工性能方面仍有较大的发展空间。

综上所述,本文基于极端工况下轴承技术发展需求,分析Si3N4全陶瓷轴承在极端工况下服役的技术可行性,探究其材料性能、轴承设计、制造及应用的关键技术发展情况,分析陶瓷轴承未来技术发展趋势及应用前景,以明确极端工况对轴承服役性能的技术需求,全面了解全陶瓷轴承关键技术,实现对传统金属轴承在极端工况下的替代应用。

2 极端工况下轴承服役关键技术研究

2.1 轴承技术领域极端工况概述

轴承服役工况是影响轴承能否可靠性服役的重要因素,不同技术领域对应不同的轴承服役工况,特别是近年来工业技术向极端工况下发展对轴承的技术性能提出了更高要求。极端工况包括极端工作环境和极端工作载荷2个方面,极端工作环境指轴承所在外部物理环境,包括极端温度环境、强腐蚀环境、高真空环境等。不同轴承应用领域所对应的极端工况条件如图2所示,可知极端温度工况涉及应用领域最为广泛,其应用覆盖范围占总体应用领域的一半以上,因此本文将围绕极端温度这一典型极端工况对轴承服役关键技术展开研究。

图2 不同轴承应用领域对应的极端工况条件

轴承在服役过程中受环境与工况的耦合作用而影响轴承运行状态,以高温环境下9Cr18钢制轴承为例,9Cr18轴承钢线膨胀系数约为12.5×10-6℃-1,高温环境下轴承升温膨胀直接影响径向游隙和轴向游隙的变化从而改变轴承预紧力,若预紧力超过所需限度,将导致轴承出现异常发热、摩擦力矩增大、疲劳寿命下降等,甚至材料超限膨胀直接导致轴承“咬死”。因此,通常情况下轴承服役工况是外部条件驱动与环境影响的共同作用,进而影响轴承的服役性能[18]。

轴承在极端工况下的稳定服役相对常规工况更加复杂,其中轴承失效是影响轴承服役行为的最主要原因。滚动轴承的失效形式分为接触表面磨损、剥落、腐蚀、塑性变形和轴承断裂等,文献[19]对503套滚动轴承服役后的失效形式进行了统计分析(图3),可知滚动轴承表面磨损是滚动轴承的主要失效形式。

通常情况下造成轴承失效而影响其稳定服役的因素包括轴承材料、轴承制造工艺以及轴承润滑性能。由于常规润滑油(脂)不能满足极端工况的需要,如在极端温度环境下,润滑油(脂)的凝固与挥发会导致轴承零件间润滑膜结构失去流动性甚至整体消失;重载工况下,轴承零件接触表面间滚动/滑动运动副的润滑油膜会瞬间失去对界面的支承甚至润滑膜完全消失,最终导致轴承瞬时乏油或无油润滑;腐蚀环境下,润滑膜性能下降极易造成环境中的水或其他腐蚀元素进入轴承内部,进而造成零件表面氧化腐蚀:因此润滑因素成为导致轴承在极端工况下失效的主要影响因素,图4所示为极端工况下轴承失效形式与影响因素的关系。

图4 极端工况下轴承失效形式与影响因素关系图

2.2 轴承在极端温度环境下的服役行为

极端温度环境包括超高温、超低温以及高低温交替变化的宽温域环境。轴承在极端温度环境下保持长期稳定的服役是随着轴承应用范围不断拓宽而形成的一个全新的研究热点领域,涉及到轴承材料、润滑、动力学、热特性等核心关键技术。从轴承服役的极端温度环境特性及现阶段滚动轴承在极端温度环境下服役所需技术的研究现状进行分析,有助于全面了解和掌握极端温度环境下轴承服役的运行规律。

低温、超低温环境一般指轴承在低温流体介质中的服役环境,包括液氢[20]、液氧[21-22]、液氮[23]等,如为大型飞行器模拟试验建造的大型低温风洞(图5)、液体火箭涡轮泵等,其内部核心轴承零件需长期在超低温、宽温域(-162～51 ℃)的氮气气氛中运行;航空发动机工作过程中,压气机作为涡扇航空发动机的核心部件,其主要作用是将内涵道中的空气流通过高速旋转的压气机叶片进行压缩,提高其压缩比,为燃气膨胀做功创造条件以改善航发热力循环效率,其内部工作环境可持续维持在450 ℃以上,轴承在此温度环境中运转时无法与周围环境形成对流散热,易使轴承局部温升过高,工作间隙缩小,甚至可能出现轴承“卡死”现象[24-26]。在极端温度环境下服役的轴承其运行工况的复杂性和服役性能的高要求远不同于传统普通轴承,常规润滑油(脂)更是无法满足服役要求[27]。

图5 低温风洞试验平台与低温下的Si3N4全陶瓷轴承

以航空应用领域为例,航空轴承往往需要在高温、高速、重载等环境下长时间连续有效运行,军用航空轴承的服役寿命标准在4 000 h以上,民用飞行器的标准则更加严格,通常要求轴承工作总寿命不少于数万小时[28]。航空航天轴承服役环境涉及超高低温、宽温域交变、强辐射、微尘及空间碎片等可能影响轴承服役行为的因素[29-31],具体见表1。

表1 航空航天轴承服役行为影响因素

2.3 极端温度环境下轴承技术研究现状

极端温度环境下润滑介质的选择与应用是解决轴承在极端温度环境下应用的关键问题,目前国内已有学者通过试验手段采用PTFE作为固体润滑介质对不同轴承钢材料进行摩擦学试验,结果表明具有自润滑性的PTFE可以在低温环境下降低摩擦因数,实现低温工况下的轴承材料固体润滑[32-33]。国外较早探究了PTFE复合材料在液氧/液氢中的摩擦磨损性能,并以PTFE轴承保持架作为轴承固体润滑介质研究其运行过程中载荷、转速对转移膜的形成、转移和破裂现象的影响[34]。

此外,低温环境对PTFE材料的摩擦学性能有着显著的影响,摩擦接触区产生的摩擦热能显著降低环境的冷却能力,也使其磨损机理从黏着磨损转变为颗粒磨损[35]。目前已有学者围绕低温环境下的轴承自润滑开展了深入研究,即采用PTFE作为保持架材料,探求其在轴承运转过程中转移膜的形成机理,分析其自润滑性能,同时对陶瓷轴承在低温重载环境中的应用情况开展相关研究。聚合物基自润滑材料具有良好的耐磨性,在低温工况下被用于保持架的设计和制造[36-39],基于此,科研人员从材料固体润滑的角度入手,依靠高分子材料保持架与滚动体摩擦过程中产生的薄膜转移至滚动体表面形成高分子转移膜,发现在超低温及乏油润滑的工况下可保持轴承的基本润滑行为。

针对高温环境下的轴承润滑,相关学者对材料耐高温性能、高温摩擦学性能、高温润滑行为等关键技术开展了广泛研究:文献[40]对2种具有高强度及自润滑特性的复合材料与Inconel718高温合金进行了高温摩擦学性能对比分析,探究了复合材料在400,600,800 ℃环境下的摩擦学行为,结果表明2种复合材料均表现出良好的自润滑性,随着温度升高,复合材料表面形成的氧化物有助于提高材料表面质量从而降低摩擦因数和磨损率;文献[41-42]通过大量试验分析了200 ℃环境下Pyrowear 675轴承材料摩擦磨损性能,结果表明该材料在高温环境下主要表现为黏着磨损;文献[43-45]采用真空离子镀的方法在金属轴承基体上喷涂TiN/Ti涂层后发现其表现出了优异的承载能力和耐磨减摩性能,且TiN/Ti与PTFE组成的摩擦副与传统轴承摩擦副相比,摩擦因数、扭矩均降低。

综上所述,超低温环境下轴承在服役过程中所暴露出的弊端主要集中在由低温引起的润滑行为失效,为此开展的广泛研究工作中,探究新材料在超低温环境下对轴承摩擦学行为的影响成为相关研究领域内学者普遍的研究方向。高温环境下面临的技术瓶颈与低温相似,对固体润滑材料的摩擦学机理开展了较为广泛且深入的研究,然而对金属材料表面进行改性处理虽可以获得较为理想的固体润滑膜,但其制造工艺复杂,设备成本高,很难形成广泛的应用。因此充分挖掘陶瓷轴承在极端工况下服役的巨大潜力,围绕陶瓷轴承发展的相关核心关键技术的深入研究势必将成为未来轴承技术领域发展的重点方向,对轴承技术的进步、装备制造及应用领域水平的整体提升都具有举足轻重的作用。

2.4 小结

极端工况下如何减少轴承失效的相关技术研究是提高高性能滚动轴承在极端工况下服役水平的关键。传统金属轴承受材料性能制约,从材料强度、润滑维护、轴承运转精度、使用寿命等条件综合考虑都难以在极端环境和复杂工况服役过程中保持稳定,因此基于传统金属轴承材料向极端工况拓展应用过程中产生了诸多技术局限性。在众多轴承材料中,工程陶瓷材料具有比重小、强度高、刚性好、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、电绝缘等性能,且具有优异的尺寸稳定性和自润滑性能,在轴承材料应用方面相比金属轴承材料具有明显优势,被认为是制造适用于极端工况的轴承的理想替代材料之一[46-49]。

3 高性能陶瓷球轴承关键技术

高性能陶瓷球轴承作为解决轴承在极端工况下服役的核心关键部件,其材料制备、设计理论、精密制造工艺等关键技术的发展水平对陶瓷轴承在极端工况下的服役行为起决定性作用。基于此,本节将结合陶瓷球轴承结构特性、陶瓷材料特性、陶瓷球轴承设计理论、陶瓷球轴承零件精密制造等核心关键技术开展论述。

3.1 陶瓷球轴承结构特性

轴承服役工况及装备需求决定了轴承结构特点及类型。随着陶瓷轴承所覆盖的应用领域越来越广泛,特别是针对不同技术领域的极端工况已开发出不同类型的陶瓷球轴承,例如针对超高速工况的数控机床电主轴领域,陶瓷球轴承因其质量轻、热特性好的特点得到广泛应用。从不同角度对陶瓷轴承种类进行划分,如图6所示[50-51]。

图6 陶瓷轴承分类

3.2 陶瓷轴承材料特性

近年来,随着陶瓷材料技术领域得到广泛的研究与发展,通过提高粉体质量和烧结技术,使得以Si3N4、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)等为代表的陶瓷材料相比传统轴承钢在诸多极端工况条件下性能优势明显,避免了早期应用于轴承领域的工程陶瓷因材料脆性引起的裂纹扩展、剥落等失效形式的产生。在高精密机械行业,Si3N4陶瓷材料在轴承领域得到了广泛应用,常用轴承材料性能对比见表2[52-53],其中,密度影响轴承动特性和滚动体离心力,热膨胀系数影响轴承温升特性、游隙变化及载荷分布,弹性模量影响轴承滚动体与套圈滚道间接触状态,进而影响接触疲劳寿命,硬度影响疲劳失效和耐磨性,抗弯强度影响轴承动态刚度,断裂韧性影响轴承耐冲击破坏性能,导热系数影响轴承散热效率。

表2 典型轴承钢与陶瓷材料性能对比

Si3N4陶瓷制备工艺复杂,包括粉体制备、成型、烧结、精密加工等。随着陶瓷粉体制备技术的提高,对坯体成型方法要求也越来越严苛,主要包括干压成型法、塑性成型法、浆料成型法和固体无模成型法几大类[54-55]。影响Si3N4坯体致密化烧结的因素主要包括烧结助剂的选择与用量、烧结温度、保温时间及烧结方法等。不同的烧结方式对粉体扩散机制和相变过程的影响效果不同,致密化过程也就是烧结粉体扩散与相变的耦合过程。工程陶瓷属于硬脆性材料,相比金属材料其塑性不足,一般情况下易产生加工崩边或裂纹,存在加工困难问题。目前,工程陶瓷材料加工以磨削、研磨、抛光等精密加工工艺为主,以Si3N4陶瓷球为例的氮化硅零部件制备与生产工艺流程图如图7所示。

图7 Si3N4陶瓷球制备与生产工艺流程图

3.3 陶瓷球轴承基本设计理论

早期陶瓷轴承设计以改进陶瓷材料性能为主要研究方向,随着应用领域的扩展,陶瓷轴承主要研究方向发展为提高陶瓷零件精密加工效率,建立混合陶瓷球轴承的疲劳寿命评价体系和疲劳寿命指标参数,提高混合陶瓷轴承可靠性领域涉及到的疲劳强度、摩擦学特性、接触表面耐磨性等基础性能研究。面向极端工况的陶瓷滚动轴承设计理论见表3[56-59],现阶段陶瓷球轴承主要围绕表面控形控性工艺设计,接触润滑性能提升,基于表面镀覆提升零件表面硬度,表面及亚表面裂纹等接触表面缺陷形成及演化机理,润滑与密封、磨损机理,滚动接触疲劳寿命,振动和无损检测等关键技术进行研究。

表3 面向极端工况的陶瓷球轴承设计理论

目前陶瓷球轴承设计以参考钢轴承相关设计理论为主,但陶瓷球轴承实际服役过程中表现的性能与理论结果存在较大偏差。以滚动轴承基本寿命设计理论为例,钢制滚动轴承采用的Lundberg-Palmgren理论模型沿用至陶瓷滚动轴承后,其计算的轴承寿命严重缩短,公式中的基本额定动载荷、当量动载荷和寿命指数均需结合实际陶瓷材料属性进行精确修整,例如与材料有关的寿命指数在钢制轴承寿命计算时通常选用9或10,这是钢制轴承发展至今经过大量数据验证后的结果,在陶瓷球轴承寿命计算上同样需要大量数据积累才能得到更加正确的设计参数[11]。

3.4 陶瓷球轴承零件精密加工技术

3.4.1 高精度陶瓷球制造关键技术

陶瓷球制造工艺是陶瓷轴承研究取得成果最早的技术之一。早在20世纪60年代国际上已开展围绕陶瓷球的加工制造相关技术,我国20世纪90年代有学者针对陶瓷球加工技术进行了深入的研究,提出了多种新型陶瓷球表面加工工艺方案和应用技术[60-63]。陶瓷球研磨抛光技术主要围绕研磨抛光球体成球基本条件、研磨抛光工艺和陶瓷球表面完整性检测3个方向展开,如图8所示。

图8 陶瓷球精密加工关键技术

随着轴承服役工况的复杂多样化,在极端工况下对滚动轴承的承载能力及稳定的动态特性提出了更高的要求,在此条件下相较于陶瓷球轴承而言陶瓷滚子轴承优势明显。以航空发动机主轴轴承为例,该类轴承可以在800～900 ℃下工作,传统高温合金材料轴承在650 ℃以上的工作温度就难以获得长寿命。因此高速精密圆柱滚子轴承已是航空航天、石油化工以及高速、精密机械等领域必须解决的难题之一。目前,提高陶瓷圆柱滚子表面质量最常用的加工方法与超声精密磨削加工类似,使磨具在滚子表面往复振荡磨削,该工艺方法参考钢制滚子的无心超精研加工来提高表面质量[64-65]。

3.4.2 陶瓷球轴承套圈控形控性制造技术

轴承套圈是轴承工作中起旋转和支承滚动体运转的零件,其加工工艺水平及精度直接影响轴承服役行为。导致轴承失效的最主要原因之一是轴承套圈沟道表面质量,因此轴承套圈沟道的精密加工是提高整个轴承服役性能的关键因素。相对于钢制轴承套圈较成熟的制造工艺而言,陶瓷球轴承套圈的加工工艺因陶瓷材料本身脆硬特性而变得复杂。陶瓷球轴承套圈加工工艺以精密磨削、精密研磨为主,加工难度大、效率低,因此在陶瓷轴承技术发展与应用的过程中以钢制轴承套圈与陶瓷球配合使用的混合陶瓷轴承率先得到应用[66-67]。陶瓷球轴承沟道精密磨削与精密研磨是陶瓷轴承制造的关键技术之一,沟道加工质量决定了沟道与球的配合,从而影响轴承的旋转精度、表面抗磨损性能、承载能力、振动及噪声等,因此围绕轴承套圈加工过程中如何实现陶瓷套圈高质量的控形控性制造,是陶瓷球轴承套圈技术进一步发展的首要问题。

近年来,随着陶瓷材料性能及轴承制造装备性能的发展,陶瓷球轴承套圈的加工精度及效率也得到了提升。与钢制轴承套圈及相关加工设备不同的是,陶瓷球轴承套圈在参考钢制轴承套圈制造工艺的过程中遇到诸多无法回避的技术问题,如目前大多数轴承生产厂商考虑到轴承套圈加工的经济性和效率,在陶瓷套圈加工过程中通常采用三爪卡盘进行装夹,而卡盘分布式接触的装夹力会使沿套圈圆周方向材料去除率发生变化,最终导致套圈的加工精度和使用性能受到较大影响。目前较为理想的陶瓷轴承套圈装夹方式包括压辊式和气动式。在Si3N4套圈加工过程中,套圈在时变的热、力或热力耦合作用下,其几何尺寸精度、精度稳定性以及加工表面的抗疲劳性能将受到显著影响,因此探究陶瓷轴承套圈在精密加工过程中的几何精度、陶瓷材料表面宏微观特性在不同加工工艺间的传递与演化规律,建立基于整个制造过程的轴承套圈材料微观组织和宏观表面状态控制理论和设计方法,是保证陶瓷轴承在极端环境下保持疲劳寿命、精度寿命以及热稳定性的前提。

4 结论与展望

本文通过对高端装备制造领域发展过程中面临的极端工况的概述,分析了当前轴承技术领域在面对极端工况条件尤其是极端温度环境时高性能轴承的技术现状及技术局限性,对比了传统金属轴承与陶瓷轴承在极端工况条件下的研究现状,探究了Si3N4陶瓷球轴承技术应用的可行性。通过对Si3N4陶瓷球轴承制造关键技术及现阶段轴承技术在极端温度环境下的发展进行分析,进一步突出了Si3N4陶瓷球轴承在极端温度环境下的应用前景,现阶段的Si3N4陶瓷球轴承已经成为航空器APU、飞机附件机匣、火箭发动机等领域部分装备的标配轴承,随着高端制造装备领域发展过程中服役环境与工况的极端复杂化,Si3N4陶瓷轴承将发挥出更显著的综合性能优势,尤其陶瓷轴承设计理论、制造工艺以及极端温度环境下Si3N4陶瓷轴承的发展趋势与目标将更为明确:

1)高性能Si3N4材料。Si3N4陶瓷材料在烧结过程中选用纯度高、粒度分布集中的粉体,采用脱氧和脱碳等处理工艺。烧结工艺采用热等静压烧结,通过显微结构工程控制Si3N4晶粒长径比的生长趋势,改善Si3N4陶瓷表面裂纹扩展机理,掌握裂纹扩展的可控性。

2)Si3N4陶瓷轴承设计理论。围绕Si3N4滚动轴承零件接触副摩擦学特性分析、超高速或低速重载工况下零件接触表面疲劳失效规律及寿命预测、极端温度工况下陶瓷轴承温升特性控制策略等关键技术开展接触理论、热力学理论、摩擦学理论、动力学特性等研究。区别于传统金属轴承设计制造理论体系,上述关键技术均需结合陶瓷材料特性进行精确分析与设计。

3)Si3N4陶瓷轴承零件超精密加工技术。针对陶瓷轴承在极端环境与复杂工况下的接触与润滑形式,优化对滚动体、内外圈、保持架等轴承零件表面质量进行控形控性的精密加工设备与工艺,通过对零件表面进行微观尺度表面形貌精密加工,提高零件间接触与润滑性能。

4)Si3N4陶瓷轴承绿色润滑技术。在极端温度环境下开发Si3N4陶瓷轴承的自润滑性能,有效改善其润滑摩擦性能,克服传统润滑技术缺点,同时本身及其摩擦损耗产物不对生态环境造成危害,将成为Si3N4陶瓷轴承润滑技术的重要发展方向。

5)Si3N4陶瓷轴承极端工况下服役状态与远期性能预测。搭建智能健康监测系统是未来航空装备技术监测的总体发展趋势,轴承健康状态监测是其中最重要的一项,其中包含轴承的运行健康状态监控技术、轴承无损检测技术和轴承可靠性评估技术。

综上所述,Si3N4陶瓷材料的理论性能满足极端环境与复杂工况的服役条件,Si3N4陶瓷轴承极端工况下的服役将进一步拓展陶瓷轴承的应用范围,同时提高我国整体装备制造业在极端环境条件下的发展水平。