航空發(fā)動機球軸承外圈剝落機理分析

李 青，楊純輝，佟文偉，陳春盛，張 倩，韓振宇，王 理

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015；2.空裝駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽110042）

0 引言

軸承對航空發(fā)動機的工作性能、壽命、各項經(jīng)濟指標(biāo)及可靠性都有很大影響。主要用來支撐機械旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)動軸或其他旋轉(zhuǎn)零件，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)運動，減小設(shè)備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數(shù)。其運轉(zhuǎn)條件為高溫、高速、重載，所以是故障多發(fā)部件。一旦失效，就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動加大、振動狀態(tài)或軸心軌跡形狀發(fā)生變化，嚴(yán)重影響發(fā)動機的使用和安全，甚至在某些情況下，導(dǎo)致機毀人亡的嚴(yán)重后果[1-5]。軸承失效原因很多，也存在多種模式，按其最初失效的原因可分為接觸疲勞剝落、斷裂和開裂、磨損、腐蝕、塑性變形和電蝕6大類。其中接觸疲勞剝落為軸承最常見的失效模式，鋼中夾雜物、鋼中碳化物、熱處理質(zhì)量、磨削加工等均是軸承抗疲勞剝落性能的重要影響因素[6]。

目前，國內(nèi)外對滾動軸承的疲勞破壞機理存在不同意見。Miller 等[7]研究認(rèn)為，滾動接觸疲勞主要有2種形式：亞表層（subsurface）起始的滾動接觸疲勞和近表層（near-surface）起始的滾動接觸疲勞，前者疲勞裂紋的引起是由于宏觀接觸產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，常出現(xiàn)在應(yīng)力比較集中的地方，后者由于接觸表面的粗糙度、潤滑油中含有污染雜質(zhì)使局部應(yīng)力擾動導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生；鄭遜昭等[8]認(rèn)為，接觸疲勞淺層剝落在亞表面最大應(yīng)力夾雜缺陷處形成微孔洞，應(yīng)變使得微孔洞變大，通過微孔洞擴展連接并貫穿聚集，最終失穩(wěn)并沿阻力最小途徑擴展，與表面相連形成剝落坑；John 等[9]介紹了在正常條件下，軸承表面材料受高接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，在表面或亞表面處萌生裂紋，導(dǎo)致滾動軸承的疲勞失效破壞；Necla 等[10]總結(jié)了微裂紋起源點理論，提出微裂紋可能產(chǎn)生于表層并向材料內(nèi)部擴展。

某發(fā)動機軸承在工作后檢查，發(fā)現(xiàn)外圈滾道發(fā)生了剝落故障。故障軸承為球軸承，外圈和鋼球材料為軸承鋼Cr4Mo4V。在YB/T 688-1976 標(biāo)準(zhǔn)中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Mo 元素為4%～4.5%、Cr 元素為3.75%～4.25%、V 元素為0.9%～1.1%、其余為Fe 元素。外圈硬度HRC 設(shè)計要求為60～64。本文針對剝落軸承外圈進行斷口的宏觀與微觀、材質(zhì)分析等工作，確定故障軸承的剝落性質(zhì)，分析剝落原因，提出了改進建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 宏觀觀察

故障軸承外圈滾道表面未見高溫變色現(xiàn)象，也沒有外物損傷痕跡。滾道剝落區(qū)宏觀形貌如圖1 所示。從圖中可見，剝落位于滾道中間區(qū)域，呈約86 mm×20 mm 的長條形。

圖1 外圈滾道剝落區(qū)宏觀形貌

1.2 微觀觀察

故障軸承外圈滾道表面剝落起始區(qū)微觀形貌如圖2 所示。從圖中可見，剝落呈層狀特征，為多塊剝落連接所成。利用背散射觀察該剝落起始區(qū)，可見大量白色片狀物質(zhì)，對白色物質(zhì)進行能譜分析，結(jié)果如圖3 所示。白色片狀物質(zhì)中的Mo、V 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于軸承基體，表明該白色片狀物質(zhì)為軸承外圈基體中的碳化物。

圖2 外圈滾道剝落起始區(qū)微觀形貌

圖3 外圈滾道表面能譜分析結(jié)果

放大觀察剝落區(qū)，未見明顯的外來物質(zhì)及異常損傷痕跡，可見疲勞弧線特征和擠壓痕跡，但剝落程度較淺，如圖4 所示。結(jié)合宏觀形貌特征判斷，外圈滾道表面剝落為滾動接觸疲勞所致[11-15]，剝落部位局部也可見大量碳化物，如圖5 所示。

圖4 剝落區(qū)微觀形貌

放大觀察外圈滾道未剝落區(qū)表面，可見大量的麻坑（如圖6 所示），部分麻坑已連通，如圖7 所示。這些麻坑為軸承外圈基體碳化物脫落所致。滾道表面碳化物分布不均勻，存在偏聚[16]現(xiàn)象。偏聚碳化物的剝落加劇鋼球和外圈滾道表面接觸的不連續(xù)性，在正壓力和摩擦力的周期性作用下，在滾道表面麻坑部位產(chǎn)生塑性變形，使表面塑性區(qū)溫度升高。當(dāng)表面塑性流動達到產(chǎn)生裂紋的程度時，裂紋萌生，裂紋在周期性擠壓循環(huán)中逐漸擴展，當(dāng)裂紋長度達到斷裂臨界值時，材料被剪斷，產(chǎn)生薄片狀磨屑，即發(fā)生剝落[17]。

圖5 外圈滾道剝落區(qū)碳化物偏聚形貌

圖6 外圈滾道未剝落區(qū)表面麻坑形貌

圖7 外圈滾道未剝落區(qū)麻坑連通形貌

在背散射下觀察外圈滾道表面，局部可見黑色物質(zhì)，此處多伴有劃傷和剝落，如圖8 所示。對黑色物質(zhì)進行能譜分析，結(jié)果見表1。主要為Al 和O 元素，表明該黑色物質(zhì)為鋁的氧化物顆粒。軸承在正常保存、運輸、使用等環(huán)節(jié)不會存在鋁的氧化物顆粒，而在新品軸承外圈滾道表面發(fā)現(xiàn)鋁的氧化物顆粒，表明鋁的氧化物顆粒是在軸承機加過程中所混入。

圖8 外圈滾道宏觀未剝落區(qū)表面殘留鋁的氧化物顆粒

表1 外圈滾道表面黑色顆粒能譜結(jié)果 wt/%

在軸承滾道表面殘留硬度較高、形狀不規(guī)則的氧化物顆粒，在周期性或脈動載荷作用下，會導(dǎo)致滾道表面局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低軸承的接觸疲勞抗力，促使疲勞裂紋或疲勞剝落的過早萌生[1]。

1.3 材質(zhì)分析

1.3.1 能譜分析

對故障軸承外圈基體進行能譜分析，結(jié)果見表2。主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與軸承鋼Cr4Mo4V 的標(biāo)準(zhǔn)成分（YB/T 688-1976）基本相符。

表2 故障軸承外圈基體能譜分析結(jié)果 wt/%

1.3.2 金相分析

故障軸承外圈基體的組織形貌如圖9 所示，該組織為回火馬氏體+碳化物組織，未見夾雜等冶金缺陷。

1.3.3 硬度（HRC）測試

對故障軸承外圈基體進行硬度（HRC）測量，結(jié)果見表3。符合設(shè)計要求，軸承未發(fā)生超溫現(xiàn)象。

圖9 軸承外圈金相組織

表3 故障軸承外圈基體硬度（HRC）測量結(jié)果

2 分析與討論

通過以上檢查和分析可知，在軸承外圈滾道表面發(fā)生了滾動接觸疲勞剝落。

接觸疲勞是工件表面在周期脈動接觸壓力長期反復(fù)作用下引起的1 種表面疲勞損壞形式。滾動接觸疲勞損傷是軸承常見的失效模式之一，主要特征表現(xiàn)在疲勞初期引起表面金屬小片剝落，在表面上形成麻坑。當(dāng)麻坑較小時，在循環(huán)應(yīng)力作用下可被磨平；當(dāng)尺寸較大時，麻坑逐漸變成舌狀[18]，造成接觸表面的不連續(xù)。即在軸承工作過程中，滾道表面的碳化物脫落。如果碳化物彌散分布且尺寸較小，碳化物脫落后，麻坑可以被鋼球碾平，對軸承的疲勞性能影響不大；如果碳化物偏聚嚴(yán)重或尺寸較大，軸承滾道表面的不連續(xù)面積不能被鋼球碾平，這就會顯著削弱軸承鋼的疲勞抗力。軸承鋼中碳化物形狀、尺寸及分布狀態(tài)對其抗接觸疲勞性能有較大的影響。大塊狀、粗粒狀碳化物容易引起應(yīng)力集中，沿碳化物界面萌生裂紋，導(dǎo)致接觸疲勞壽命降低[19-20]。因此，軸承鋼中的碳化物以細小、彌散分布為佳。

碳化物偏聚[21-23]是故障軸承外圈滾道過早發(fā)生疲勞剝落的主要原因之一。本次發(fā)生故障的軸承外圈滾道表面剝落區(qū)存在嚴(yán)重的碳化物偏聚現(xiàn)象，在未剝落區(qū)表面也可見大量由于碳化物脫落產(chǎn)生的麻坑，且部分麻坑已連通，如果軸承繼續(xù)工作，連通的麻坑可能發(fā)展成新的剝落區(qū)。

軸承外圈滾道表面殘留鋁的氧化物顆粒與滾道加工過程中的細磨、精磨直接相關(guān)。在外圈冷加工時，滾道表面的碳化物受到砂輪磨粒切線方向的切削沖擊，一旦碳化物脫落，或由于其他原因?qū)е聺L道表面不平滑，砂輪、精研油石的磨粒就會鑲嵌在滾道表面，滾道表面殘留鋁的氧化物顆粒硬度較大，會起到磨料的作用，在軸承工作過程中易使?jié)L道表面產(chǎn)生劃傷和麻點等缺陷，從而促進疲勞剝落。因此，軸承滾道表面存在的鋁的氧化物顆粒也是導(dǎo)致故障軸承疲勞壽命降低的主要原因之一。

3 總結(jié)及建議

（1）某發(fā)動機故障球軸承外圈滾道表面剝落為滾動接觸疲勞所致；

（2）滾道表面的碳化物偏聚以及殘留有鋁的氧化物顆粒是故障球軸承外圈過早發(fā)生疲勞剝落的主要原因；

（3）建議控制原材料碳化物的原始形狀、尺寸及分布狀態(tài)，在機加過程中改善磨削加工、滾道表面清洗等工藝，避免滾道表面殘留鋁的氧化物顆粒，提高軸承滾道的接觸疲勞壽命。