K465超高溫合金向心關節軸承的摩擦磨損性能研究

張翔，蘇文文

(上海市軸承技術研究所，上海 201800)

某飛行器翼面操作桿中的向心關節軸承是運動部件與固定結構的連接點，可承受變載，實現規定角度的調心擺動或圓周轉動。該軸承工作于超高溫環境，靜態下的最高環境溫度可達950 ℃，擺動運動下的最高溫度達850 ℃，同時伴有真空和原子氧輻照等復雜太空環境因素。

為滿足超高溫使用環境的要求，在軸承設計過程中應綜合考慮軸承材料、涂層材料、軸承結構等因素，并通過變溫無載啟動力矩測試、超高溫磨損試驗驗證軸承在超高溫下的使用性能，為超高溫關節軸承的開發提供借鑒。

1 試樣設計

1.1 軸承材料與選型

向心關節軸承主要分為擠壓型、開縫型、缺口型[5]。軸承結構形式的選取應綜合考慮軸承使用溫度，材料的硬度、塑韌性及成形工藝的影響。現階段，擠壓型向心關節軸承由于織物襯墊的限制，最高可承受240 ℃的高溫；開縫型向心關節軸承要求材料具有較高的硬度和塑韌性，不適用于超高溫工況；缺口型向心關節軸承(圖1)的配合精度可通過機械加工精準控制，根據不同使用工況選定相應的表面處理，從而滿足各類極限工況的使用要求。

圖1 缺口型向心關節軸承結構示意圖Fig.1 Structure diagram of notched radial spherical plain bearing

相關研究表明，耐溫最高的第三代軸承鋼可承受的最高溫度為500 ℃[1]，440C的最佳摩擦溫度為200 ℃[2]，不能滿足超高溫關節軸承的使用要求。K465合金是鎳基沉淀硬化型軸晶鑄造高溫合金，使用溫度可達1 050 ℃[3]，具有較高的高溫強度和較好的耐熱腐蝕性能，適用范圍廣，綜合性能優越。采用K465合金制作的航空發動機燃氣渦輪葉片(1 000 ℃)、渦輪導向葉片(達1 050 ℃)等均已通過試車考核，因此，可嘗試在高溫關節軸承上應用K465合金。

軸承的表面處理需綜合考慮軸承在高溫下的熱膨脹、抗沖擊、耐磨損等性能。相關研究表明，TiAlN涂層的抗氧化溫度可達1 000 ℃以上[4]，在950 ℃下能穩定工作，涂層硬度可達3 200～3 300 HV，干摩擦因數約0.30～0.35，已在發動機組件、高溫高壓刀具等領域有成熟的應用，可作為高溫軸承摩擦面的涂層材料。

經篩選與對比，確定缺口型向心關節軸承作為試樣，軸承內、外圈材料采用K465-DS；涂層材料采用TiAlN，對內圈進行PVD處理。

1.2 軸承接口尺寸

根據飛行器組件接口尺寸，選定GE12D軸承為試驗件，其尺寸參數見表1[6]，試驗前軸承狀態如圖2所示。

表1 GE12D軸承尺寸參數Tab.1 Dimension parameters of GE12D bearing

圖2 試驗前試樣Fig.2 Pre-test sample

2 試驗方法

2.1 試驗類型與試驗參數

軸承試驗分為變溫環境下的無載啟動力矩測試和高溫環境下5 000次擺動磨損試驗2種類型，試驗參數見表2、表3。

表2 變溫環境下無載啟動力矩測試參數Tab.2 Parameters of no-load starting torque test under variable temperature

表3 高溫環境下GE12D軸承磨損試驗參數Tab.3 Parameters of wear test for GE12D bearing under high temperature

2.2 試驗設備

試驗設備如圖3所示，可通過動齒輪齒條運動實現軸承的擺動，由加載系統提供試驗所需的徑向載荷，由扭矩傳感器實時采集扭矩。

圖3 試驗設備Fig.3 Test equipment

2.3 安裝與調試

將內圈與試驗軸固定，與加載夾具相連后置于環境箱內。在環境箱外部安裝冷卻系統，確保非試驗區域各構件不因高溫受損。

恒溫狀態下，溫度偏差±5 ℃。無載啟動力矩測試時，箱內溫度應至少保持60 s。

3 試驗結果與分析

3.1 變溫下軸承無載啟動力矩測試

在室溫下記錄最大無載啟動力矩值，隨后以每15 min升高50 ℃的速率升溫，每隔50 ℃記錄最大無載啟動力矩值；完成850 ℃下的無載啟動力矩測試后，以每15 min降低50 ℃的速率降至室溫，期間按相同方法采集數據。試驗后的軸承如圖4所示，無載啟動力矩隨溫度的變化曲線如圖5所示。

圖4 變溫下無載啟動力矩試驗后的試樣(16-10-1)Fig.4 Sample 16-10-1 after no-load starting torque test under variable temperature

圖5 變溫下軸承無載啟動力矩變化曲線Fig.5 Variation curve of no-load starting torque of bearing under variable temperature

分析無載啟動力矩隨溫度的變化規律及試驗后試樣狀態可知：

1)隨溫度升高，軸承無載啟動力矩增加；隨溫度降低，無載啟動力矩下降；850 ℃高溫時的無載啟動力矩約為室溫下無載啟動力矩的2～3倍，滿足不高于5倍的使用要求。分析認為無載啟動力矩的變化與K465合金材料熱脹冷縮，以及TiAlN涂層在不同溫度下的潤滑特性有關[7]。

2)在升、降溫過程中，相同溫度下的力矩值存在偏差，與摩擦面的接觸狀態變化有關。

3)試驗后，內圈球面有2條輕微摩擦劃痕，試樣狀態整體良好。

3.2 高溫磨損試驗

安裝前測試軸承徑向游隙，安裝后按表4中的試驗參數開始高溫磨損試驗。以每15 min 升高50 ℃的速率從室溫升至850 ℃并保溫30 min，施加6 046 N的徑向載荷后開啟5 000次擺動磨損試驗，每隔500次記錄軸承的啟動力矩，試驗結束后拍照并測試徑向游隙。

850 ℃下軸承啟動力矩隨擺動次數的變化如圖6所示，試驗后軸承狀態如圖7所示，試驗前后軸承的徑向游隙見表5。

表5 試驗前、后GE12D軸承的徑向游隙Tab.5 Radial clearance of GE12D bearing before and after test

圖6 高溫下軸承啟動力矩的變化曲線Fig.6 Variation curve of staring torque of bearing under high temperature

圖7 高溫擺動試驗后的試樣(16-10-4)Fig.7 Sample 16-10-4 after high temperature swing test

分析力矩隨擺動次數的變化規律，觀察試驗后軸承狀態并對比試驗前后徑向游隙的變動量可知：

1)在850 ℃高溫下，軸承啟動力矩隨擺動次數的增加先下降，隨后逐漸平穩。磨損平穩后，軸承啟動力矩的平均值為36 N·m。

2)試驗過程中軸承滑動接觸表面出現氧化，隨擺動次數的增加，由摩擦痕跡逐步發展成具有一定寬度且邊界明顯的磨痕，擺動5 000次后內圈涂層未磨穿。

3)3組試樣的平均徑向游隙變動量為0.008 mm，滿足不大于0.13 mm的使用要求。

綜上，經5 000次高溫磨損后，軸承涂層未磨穿，徑向游隙變動量合格。

4 結束語

根據某飛行器翼面操作桿向心關節軸承的使用工況要求，經對比選定了以K465為軸承套圈材料、TiAlN為內圈涂層的缺口型向心關節軸承GE12D，并進行了變溫下的軸承無載啟動力矩測試和850 ℃高溫下的5 000次擺動磨損試驗，試驗結果表明該軸承的啟動力矩、徑向游隙變動量均滿足使用要求，且內圈涂層堅固耐磨，可作為超高溫環境下的活動連接件使用。