本文關鍵詞： 高速重載軸承 低溫制備復合功能薄膜系統(tǒng) 陽極層離子源 W摻雜梯度復合功能薄膜 臺架考核　出處：《中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：主軸軸承是航空發(fā)動機的"心臟",是發(fā)動機的關重件,由于是在高轉(zhuǎn)速(14500r/min)、高載荷(50000N)和受力復雜的惡劣環(huán)境下服役,其運行壽命直接影響了發(fā)動機的壽命。服役過程中主軸軸承存在滑油系統(tǒng)失效導致的無油潤滑,以及超載運行的可能性,此時發(fā)動機主軸軸承的服役工況已超出設計條件,現(xiàn)有的軸承材料(M50或M50NiL)與結(jié)構設計無法滿足其對耐磨和減摩的要求,如何提高此類特殊工況條件下軸承的使用壽命,是目前各種技術爭相創(chuàng)新的領域,本文在不改變軸承材料與結(jié)構設計的前提下,研究了應用表面鍍膜技術提高主軸軸承在特殊工況條件下的使用壽命,并開展了臺架考核驗證。本文針對發(fā)動機主軸軸承的典型結(jié)構與服役工況深入分析后認為,合理設計薄膜的低溫制備條件是高性能軸承表面薄膜制備研究的基礎。本文采用多弧、磁控濺射和PECVD復合工藝,設計并搭建了低溫制備復合功能薄膜系統(tǒng),優(yōu)選了陽極層離子源,避免了傳統(tǒng)輝光放電產(chǎn)生的氣體離子密度低、能量弱的缺點,解決了金屬離子轟擊材料表面的液滴殘留問題,并且陽極層離子源與電弧復合刻蝕不會對零件產(chǎn)生明顯的加熱效應,降低了工件回火的風險,提高了薄膜與基體的結(jié)合力。本文針對影響膜/基結(jié)合力的關鍵因素—薄膜內(nèi)應力,設計了 W摻雜的梯度復合多層結(jié)構薄膜,不僅有效降低了純碳基薄膜本身的內(nèi)應力,改善薄膜的韌性,提高碳基薄膜的膜/基結(jié)合力,同時W與C形成的WC相提升了薄膜的耐磨性,結(jié)合梯度復合多層結(jié)構又進一步提升了薄膜的韌性和膜/基結(jié)合力。通過采用接觸力學專業(yè)計算軟件FilmDoctor Pro測試所制備的碳基復合多層薄膜對基體材料抵抗塑性變形和接觸疲勞性能不會產(chǎn)生影響。在薄膜結(jié)構優(yōu)化設計的基礎上,本文深入研究了 DLC薄膜摻雜W元素、TiN等多層結(jié)構薄膜的制備工藝,不同能量等離子刻蝕對薄膜結(jié)合力的影響、不同W的摻雜量對DLC薄膜的力學性能和摩擦學性能的影響以及硬質(zhì)雜質(zhì)的進入對薄膜摩擦學性能的影響、不同的靶電流、基體偏壓、沉積溫度對TiN薄膜力學性能和摩擦學性能的影響,以及本體粗糙度對薄膜摩擦磨損性能的影響,獲得了等離子刻蝕優(yōu)化的工藝參數(shù)為基體偏壓-400V、離子源功率2kW、處理時間60min;W-DLC薄膜優(yōu)化的工藝參數(shù)為離子源10A、旋轉(zhuǎn)陰極靶7.5A、基體偏壓-80V、沉積溫度180℃;TiN薄膜優(yōu)化的工藝參數(shù)為靶電流100A、偏壓-80V、沉積溫度300℃。通過在不同粗糙度基體上制備碳基薄膜并進行了摩擦學性能的測試,研究了不同基體粗糙度對薄膜摩擦學性能的影響,結(jié)論為當基體粗糙度達到Ra0.025μm以上時,制備出的薄膜表現(xiàn)出了最好的膜/基結(jié)合力和最佳的摩擦磨損性能,滿足設計的要求。本文采用設計與搭建的低溫制備復合功能薄膜系統(tǒng),針對軸承的特殊結(jié)構創(chuàng)新設計了軸承專用工裝和滾動體(球)鍍膜專用工裝,實現(xiàn)了軸承表面梯度復合多層結(jié)構薄膜的制備,完成了軸承關鍵部位的長壽命W-DLC薄膜和TiN薄膜的制備,并在主機所臺架測試平臺上開展了試車考核,考核結(jié)果:軸承引導面低溫制備的TiN薄膜,通過了 50小時性能考核,而未鍍膜軸承未通過8小時的試驗;W-DLC鍍膜軸承通過了 30分鐘斷油試驗測試,軸承工作正常,薄膜未失效;W-DLC梯度復合功能薄膜制備的軸承通過了大載荷試驗(轉(zhuǎn)速14500r/min、軸向載荷50000N)考核,鍍膜軸承的回油溫度始終較未鍍膜軸承低(10℃～15℃)。結(jié)果表明,鍍膜軸承具有更好的耐磨性和更低的摩擦系數(shù),并且有效降低了軸承的摩擦生熱,提升了潤滑油的使用壽命,進一步保證了軸承的潤滑效果,提高了軸承在特殊工況下的使用壽命。綜上,通過本文的研究工作,設計并搭建了低溫制備復合功能薄膜系統(tǒng),設計的梯度復合功能薄膜,有效地提高了特殊服役工況下主軸軸承的服役壽命,研究結(jié)果將為我國航空發(fā)動機主軸軸承的設計和發(fā)展提供理論支持和技術保障。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V232.2;TB383.2

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