本文關(guān)鍵詞： 高速重載軸承 低溫制備復(fù)合功能薄膜系統(tǒng) 陽極層離子源 W摻雜梯度復(fù)合功能薄膜 臺(tái)架考核　出處：《中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：主軸軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的"心臟",是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)重件,由于是在高轉(zhuǎn)速(14500r/min)、高載荷(50000N)和受力復(fù)雜的惡劣環(huán)境下服役,其運(yùn)行壽命直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。服役過程中主軸軸承存在滑油系統(tǒng)失效導(dǎo)致的無油潤滑,以及超載運(yùn)行的可能性,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的服役工況已超出設(shè)計(jì)條件,現(xiàn)有的軸承材料(M50或M50NiL)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法滿足其對(duì)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(shù)爭相創(chuàng)新的領(lǐng)域,本文在不改變軸承材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,研究了應(yīng)用表面鍍膜技術(shù)提高主軸軸承在特殊工況條件下的使用壽命,并開展了臺(tái)架考核驗(yàn)證。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的典型結(jié)構(gòu)與服役工況深入分析后認(rèn)為,合理設(shè)計(jì)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(chǔ)。本文采用多弧、磁控濺射和PECVD復(fù)合工藝,設(shè)計(jì)并搭建了低溫制備復(fù)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(diǎn),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(fù)合刻蝕不會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生明顯的加熱效應(yīng),降低了工件回火的風(fēng)險(xiǎn),提高了薄膜與基體的結(jié)合力。本文針對(duì)影響膜/基結(jié)合力的關(guān)鍵因素—薄膜內(nèi)應(yīng)力,設(shè)計(jì)了 W摻雜的梯度復(fù)合多層結(jié)構(gòu)薄膜,不僅有效降低了純碳基薄膜本身的內(nèi)應(yīng)力,改善薄膜的韌性,提高碳基薄膜的膜/基結(jié)合力,同時(shí)W與C形成的WC相提升了薄膜的耐磨性,結(jié)合梯度復(fù)合多層結(jié)構(gòu)又進(jìn)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(xué)專業(yè)計(jì)算軟件FilmDoctor Pro測試所制備的碳基復(fù)合多層薄膜對(duì)基體材料抵抗塑性變形和接觸疲勞性能不會(huì)產(chǎn)生影響。在薄膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,本文深入研究了 DLC薄膜摻雜W元素、TiN等多層結(jié)構(gòu)薄膜的制備工藝,不同能量等離子刻蝕對(duì)薄膜結(jié)合力的影響、不同W的摻雜量對(duì)DLC薄膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響以及硬質(zhì)雜質(zhì)的進(jìn)入對(duì)薄膜摩擦學(xué)性能的影響、不同的靶電流、基體偏壓、沉積溫度對(duì)TiN薄膜力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響,以及本體粗糙度對(duì)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(shí)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(jìn)行了摩擦學(xué)性能的測試,研究了不同基體粗糙度對(duì)薄膜摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)論為當(dāng)基體粗糙度達(dá)到Ra0.025μm以上時(shí),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(shè)計(jì)的要求。本文采用設(shè)計(jì)與搭建的低溫制備復(fù)合功能薄膜系統(tǒng),針對(duì)軸承的特殊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了軸承專用工裝和滾動(dòng)體(球)鍍膜專用工裝,實(shí)現(xiàn)了軸承表面梯度復(fù)合多層結(jié)構(gòu)薄膜的制備,完成了軸承關(guān)鍵部位的長壽命W-DLC薄膜和TiN薄膜的制備,并在主機(jī)所臺(tái)架測試平臺(tái)上開展了試車考核,考核結(jié)果:軸承引導(dǎo)面低溫制備的TiN薄膜,通過了 50小時(shí)性能考核,而未鍍膜軸承未通過8小時(shí)的試驗(yàn);W-DLC鍍膜軸承通過了 30分鐘斷油試驗(yàn)測試,軸承工作正常,薄膜未失效;W-DLC梯度復(fù)合功能薄膜制備的軸承通過了大載荷試驗(yàn)(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(jìn)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(shè)計(jì)并搭建了低溫制備復(fù)合功能薄膜系統(tǒng),設(shè)計(jì)的梯度復(fù)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(dòng)機(jī)主軸軸承的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供理論支持和技術(shù)保障。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V232.2;TB383.2

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本文編號(hào)：1487422