我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命超5萬(wàn)小時(shí)

twq19810302

9 e# N1 A5 a$ o0 M3 o0 O, H$ g10月24日,，由北京航空材料研究院實(shí)施的航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞壽命試驗(yàn)突破5萬(wàn)小時(shí),，標(biāo)志著我國(guó)高端裝備制造技術(shù)取得全新突破,。

此次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵構(gòu)件是由我國(guó)自主研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承,，在試驗(yàn)器上等效加速試驗(yàn)疲勞壽命5萬(wàn)小時(shí)未失效,，創(chuàng)造了我國(guó)新的紀(jì)錄,。
& o  H4 b- g3 ~. B, E( j
# p+ i  }' d  c6 y2 p' E$ _

0 t$ ~/ U3 X0 c$ P# K

北京航空材料研究院高級(jí)工程師 湯春峰：飛機(jī)要飛幾千小時(shí)上萬(wàn)小時(shí)，如果軸承出了故障,，發(fā)動(dòng)機(jī)就不能使用了,，它是發(fā)動(dòng)機(jī)的中樞。試驗(yàn)?zāi)�擬了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況,，到目前為止,，已經(jīng)試驗(yàn)加速等效壽命5萬(wàn)小時(shí)還未失效，試驗(yàn)還在進(jìn)行當(dāng)中,。

5 g/ I0 b5 Q  {) z" t) V. O

7 W9 g# A- O4 `
3 n: ?" U0 E8 {+ w. Z; T

據(jù)介紹,，像飛機(jī)、高鐵等高端裝備在運(yùn)行服役過(guò)程中,，其中關(guān)鍵構(gòu)件會(huì)發(fā)生疲勞現(xiàn)象,，產(chǎn)生裂紋、發(fā)生斷裂導(dǎo)致產(chǎn)品失效,，是世界工程領(lǐng)域的一大難題,。

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承位置

6 P% p+ Q1 O* E. J5 t1 B( D1 e
$ T- S1 n2 n+ G0 _( o" W  i# _0 ?我國(guó)科研人員經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，自主研發(fā)了多項(xiàng)抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù),，建立了抗疲勞制造技術(shù)體系,，解決了關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞失效問題，為我國(guó)高端裝備全面自主化奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

5 i$ o$ o3 @9 x# L* I) q

北京航空材料研究院研究員 中國(guó)工程院院士 趙振業(yè)：我們的抗疲勞制造技術(shù),，幾乎所有的關(guān)鍵構(gòu)件都可以做。裝備的壽命和可靠性都是拿關(guān)鍵構(gòu)件來(lái)體現(xiàn)的,，有了關(guān)鍵構(gòu)件,，就可以做高端裝備,。所以中國(guó)的制造技術(shù)整個(gè)面上的提升，達(dá)到三個(gè)極限,，極限壽命,、極限可靠性、極限減重,，也就是說(shuō)處于國(guó)際領(lǐng)先水平,。
6 }$ C4 ^8 Y& h) A/ d5 y
疲勞、磨損,、腐蝕,，是世界公認(rèn)的機(jī)械工程制造三大難題,。

9 O3 [6 o/ M! K8 S3 s, E所謂疲勞,，是指材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷,，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程,。通俗講，好比一根鐵絲,，經(jīng)過(guò)反復(fù)折彎后,，就會(huì)發(fā)燙，直至斷裂,，這就是疲勞所致,。
. b0 @5 V. |# @& d$ A0 t' _. W
“疲勞”問題的發(fā)展，最早可追溯到1830年,，雖歷經(jīng)近兩百年的研究探索,，時(shí)至今日，“疲勞失效”問題仍位居三大難題之首,。因?yàn)槟�損可以通過(guò)預(yù)警提前預(yù)防,，腐蝕可以通過(guò)修整、防護(hù)延長(zhǎng)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。

“成形”制造技術(shù),，是世界第一代工程制造技術(shù),，已傳承百年，它追求的是“形位精密”,，目標(biāo)是向“近無(wú)缺陷”方向發(fā)展,，但沒有解決疲勞問題，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件存在著壽命短,、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等突出問題,。
6 k! i# y1 d3 A
美國(guó)從1948年至1970年，舉全國(guó)之力，研究發(fā)明了第二代制造技術(shù)----“表面完整性”制造技術(shù),，這是一門“切削加工+疲勞學(xué)”的跨學(xué)科技術(shù),，通過(guò)構(gòu)件表面強(qiáng)化，改善疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感,，以延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命,。這項(xiàng)技術(shù)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(jí)轉(zhuǎn)型,。
( w$ i7 Z  z" ]1 ~, q. r, J9 M! s
" o8 F% E. ]3 a: b6 |/ U關(guān)鍵構(gòu)件，是高端制造的核心,，主要包括傳動(dòng)構(gòu)件,，如齒輪、軸承等,；轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件,，如葉片、輪盤等,；以及主承力構(gòu)件起落架,、對(duì)接螺栓等。長(zhǎng)期從事航空材料研究的趙振業(yè)院士認(rèn)為,，關(guān)鍵構(gòu)件是設(shè)計(jì),、制造和材料三個(gè)技術(shù)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(zāi)難性后果，疲勞是主要失效模式,。
# R. P, _7 \- G
' j/ x7 o, |3 J軸承被稱為工業(yè)的“關(guān)節(jié)”,。第二次世界大戰(zhàn)中，蘇,、德兩軍進(jìn)攻對(duì)方,，轟炸目標(biāo)都首選對(duì)方軸承廠，可見軸承的重要性,。高性能軸承和齒輪是機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件,，在直升機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī),、賽車及其他精密機(jī)械領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,，其性能成為制約各種機(jī)械性能壽命和可靠性的重要因素。

1 D$ w/ Q& C1 }1 f& i7 @二十世紀(jì)六十年代,，美國(guó)把雙真空熔煉技術(shù)引入齒輪鋼,，解決了傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵難題,，他們制造的航空主軸承壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí)甚至上萬(wàn)小時(shí)。為此,，美西方5家公司在長(zhǎng)達(dá)50多年時(shí)間里壟斷了全世界高端軸承80%的市場(chǎng),、航空和高鐵100%市場(chǎng)。當(dāng)時(shí),，我國(guó)高性能齒輪軸承鋼技術(shù)十分落后,，航空主軸承壽命不足200小時(shí)，嚴(yán)重制約了航空發(fā)動(dòng)機(jī),、直升機(jī)等武器裝備和高端機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展,。

2009年國(guó)家有關(guān)部門部署了《高強(qiáng)度抗疲勞航構(gòu)件抗疲勞制造基礎(chǔ)研究》重大項(xiàng)目，要求研究一個(gè)驗(yàn)證件,，以評(píng)價(jià)抗疲勞制造理論和方法是否可用,。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)主軸承是最重要、難度最大的關(guān)鍵構(gòu)件,，趙振業(yè)院士團(tuán)隊(duì)選擇了某個(gè)主點(diǎn)主軸承,，這樣既能完成驗(yàn)證,，又能解決難題,。

在接下來(lái)的13年時(shí)間里，趙振業(yè)主持新型軸承齒輪鋼M50NiL純凈化研究,。他通過(guò)“提純?cè)�材��,、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(guò)國(guó)際領(lǐng)先水平。他還設(shè)計(jì)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(qiáng)度,、高韌性和超高硬度水平。
& }( w7 f% K, t( }( T$ o& l
& L6 T; Q( e# @, M3 D1 o* v2 H; Q  y2021年7月28日,，采用新型軸承齒輪鋼M50NiL的航空主軸承與國(guó)際最先進(jìn)的產(chǎn)品進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)“同臺(tái)競(jìng)技”,，我國(guó)主軸承滾珠壽命達(dá)到百萬(wàn)小時(shí)，高出國(guó)外產(chǎn)品15倍,；在1.6倍載荷譜最高載荷下加速試驗(yàn)壽命（換算）超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)未失效,，打破國(guó)際同類產(chǎn)品2萬(wàn)小時(shí)未失效的紀(jì)錄。國(guó)家有關(guān)部門順利驗(yàn)收通過(guò)抗疲勞制造基礎(chǔ)研究項(xiàng)目,，包括抗疲勞制造5個(gè)機(jī)理,、抗疲勞制造4種方法，以及提高疲勞強(qiáng)度100%,，提高疲勞壽命100倍等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全部達(dá)標(biāo)完成,。

9 Z- G+ H# L4 G, T' W7 _

2022年10月24日,，從北京航材院又傳來(lái)振奮人心的新聞：趙振業(yè)院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)航空主軸承抗疲勞試驗(yàn)達(dá)到50000小時(shí)未失效。這是一個(gè)具有劃時(shí)代意義的里程碑,，機(jī)械工程制造業(yè)又一個(gè)世界紀(jì)錄誕生了,！

. {0 F: O6 W# H3 R) K4 @