我國航空發(fā)動機關鍵構件疲勞壽命超5萬小時

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10月24日，由北京航空材料研究院實施的航空發(fā)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,。

8 k9 b6 ^  S0 J% i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(fā)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，創(chuàng)造了我國新的紀錄,。

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北京航空材料研究院高級工程師 湯春峰：飛機要飛幾千小時上萬小時,，如果軸承出了故障,，發(fā)動機就不能使用了，它是發(fā)動機的中樞,。試驗模擬了航空發(fā)動機的工作狀況,，到目前為止，已經試驗加速等效壽命5萬小時還未失效,，試驗還在進行當中,。

據(jù)介紹，像飛機,、高鐵等高端裝備在運行服役過程中,，其中關鍵構件會發(fā)生疲勞現(xiàn)象，產生裂紋,、發(fā)生斷裂導致產品失效,，是世界工程領域的一大難題。
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商用航空發(fā)動機的主軸承位置

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9 F6 h1 N+ K- t5 G$ A2 P我國科研人員經過技術攻關,，自主研發(fā)了多項抗疲勞制造關鍵技術,，建立了抗疲勞制造技術體系，解決了關鍵構件的疲勞失效問題,，為我國高端裝備全面自主化奠定更加堅實的基礎,。

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北京航空材料研究院研究員 中國工程院院士 趙振業(yè)：我們的抗疲勞制造技術，幾乎所有的關鍵構件都可以做,。裝備的壽命和可靠性都是拿關鍵構件來體現(xiàn)的,，有了關鍵構件，就可以做高端裝備,。所以中國的制造技術整個面上的提升,，達到三個極限,，極限壽命,、極限可靠性、極限減重,，也就是說處于國際領先水平,。

疲勞、磨損,、腐蝕,，是世界公認的機械工程制造三大難題。

2 `7 C. U9 e: }+ [- N所謂疲勞,，是指材料在循環(huán)應力和應變作用下,，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環(huán)次數(shù)產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程,。通俗講,，好比一根鐵絲,，經過反復折彎后，就會發(fā)燙,，直至斷裂,，這就是疲勞所致。
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- f. E5 e4 J- }* ]+ x$ ~/ |- T5 `/ F$ o“疲勞”問題的發(fā)展,，最早可追溯到1830年,，雖歷經近兩百年的研究探索，時至今日,，“疲勞失效”問題仍位居三大難題之首,。因為磨損可以通過預警提前預防，腐蝕可以通過修整,、防護延長壽命,，而疲勞則是在沒有任何征兆情況下突然斷裂，可謂防不勝防,。
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3 T8 p) S! k& O; X“成形”制造技術,，是世界第一代工程制造技術，已傳承百年,，它追求的是“形位精密”,，目標是向“近無缺陷”方向發(fā)展，但沒有解決疲勞問題,，導致關鍵構件存在著壽命短,、可靠性差和結構重等突出問題。

- i0 c# ~  w2 E  ]& A) ^/ b7 b$ r美國從1948年至1970年,，舉全國之力,，研究發(fā)明了第二代制造技術----“表面完整性”制造技術，這是一門“切削加工+疲勞學”的跨學科技術,，通過構件表面強化,，改善疲勞強度應力集中敏感，以延長產品壽命,。這項技術使得西方在高端制造方面處于壟斷地位,，但疲勞問題仍沒有解決，世界制造至今未升級轉型,。
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關鍵構件,，是高端制造的核心，主要包括傳動構件,，如齒輪,、軸承等；轉動構件，如葉片,、輪盤等,；以及主承力構件起落架、對接螺栓等,。長期從事航空材料研究的趙振業(yè)院士認為,，關鍵構件是設計、制造和材料三個技術體系的集成,，其基本特性是：決定裝備主要功能,，體現(xiàn)壽命與可靠性，失效釀成災難性后果,，疲勞是主要失效模式,。

軸承被稱為工業(yè)的“關節(jié)”。第二次世界大戰(zhàn)中,，蘇,、德兩軍進攻對方，轟炸目標都首選對方軸承廠,，可見軸承的重要性,。高性能軸承和齒輪是機械系統(tǒng)中的關鍵構件，在直升機,、航空發(fā)動機,、賽車及其他精密機械領域中廣泛應用，其性能成為制約各種機械性能壽命和可靠性的重要因素,。

二十世紀六十年代,，美國把雙真空熔煉技術引入齒輪鋼，解決了傳動系統(tǒng)的關鍵難題,，他們制造的航空主軸承壽命長達數(shù)千小時甚至上萬小時,。為此，美西方5家公司在長達50多年時間里壟斷了全世界高端軸承80%的市場,、航空和高鐵100%市場,。當時，我國高性能齒輪軸承鋼技術十分落后,，航空主軸承壽命不足200小時,，嚴重制約了航空發(fā)動機、直升機等武器裝備和高端機械產品的發(fā)展,。
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2009年國家有關部門部署了《高強度抗疲勞航構件抗疲勞制造基礎研究》重大項目，要求研究一個驗證件,，以評價抗疲勞制造理論和方法是否可用,。因為航空發(fā)動機主軸承是最重要、難度最大的關鍵構件，趙振業(yè)院士團隊選擇了某個主點主軸承,，這樣既能完成驗證,，又能解決難題。

- G6 V" S# G- u0 _/ E1 L, y& D在接下來的13年時間里,，趙振業(yè)主持新型軸承齒輪鋼M50NiL純凈化研究,。他通過“提純原材料、爐外精煉,、VIM+VAR雙真空熔煉,、墩拔開坯”等工藝路線，使M50NiL純凈度超過國際領先水平,。他還設計了一種表層硬化型不銹齒輪軸承鋼成分體系,，首次將齒輪軸承鋼提升到超高強度、高韌性和超高硬度水平,。

# O2 d' |: A  P; C& [, d- ?2021年7月28日,，采用新型軸承齒輪鋼M50NiL的航空主軸承與國際最先進的產品進行抗疲勞試驗“同臺競技”，我國主軸承滾珠壽命達到百萬小時,，高出國外產品15倍,；在1.6倍載荷譜最高載荷下加速試驗壽命（換算）超過3萬小時未失效，打破國際同類產品2萬小時未失效的紀錄,。國家有關部門順利驗收通過抗疲勞制造基礎研究項目,，包括抗疲勞制造5個機理、抗疲勞制造4種方法,，以及提高疲勞強度100%,，提高疲勞壽命100倍等技術標準全部達標完成。
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& U9 k9 a3 Y* L2022年10月24日,，從北京航材院又傳來振奮人心的新聞：趙振業(yè)院士團隊研發(fā)航空主軸承抗疲勞試驗達到50000小時未失效,。這是一個具有劃時代意義的里程碑，機械工程制造業(yè)又一個世界紀錄誕生了,！


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