王黎欽，賈虹霞，鄭德志，葉振環(huán)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航空宇航摩擦學(xué)研究室，哈爾濱 150001；2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150030）

0 引言

軸承是工業(yè)機械領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，素有“裝備的關(guān)節(jié)”之稱。軸承性能的優(yōu)劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動態(tài)性能等關(guān)鍵指標，航空航天技術(shù)對高質(zhì)量軸承的需求尤其迫切。隨著高端技術(shù)的發(fā)展，裝備的極限性能在不斷突破和提升，相應(yīng)地對軸承性能的要求也越來越苛刻，軸承若發(fā)生嚴重磨損、過熱、咬死、潤滑劑變質(zhì)等將會直接導(dǎo)致裝備和系統(tǒng)的止轉(zhuǎn)性惡性失效，因此，軸承對發(fā)展現(xiàn)代高端裝備的重要性越來越突出。在航空發(fā)動機設(shè)計中，軸承材料和技術(shù)始終占到90%～95%以上?？梢哉f，軸承技術(shù)代表著發(fā)動機極限轉(zhuǎn)速、耐溫能力和可靠性水平[1]。目前，提高發(fā)動機推力和燃油效率的直接方法依然是提高渦輪進口溫度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而這會直接挑戰(zhàn)軸承的極限轉(zhuǎn)速性能、耐溫能力、潤滑性能和承載能力等，因此，人類始終沒有停止過研究開發(fā)新的軸承材料[2-4]。研制開發(fā)陶瓷軸承的最初目標是提高航空航天國防裝備軸承的極限性能。20世紀末，美、日、歐等國家和地區(qū)在各類技術(shù)計劃的引導(dǎo)和資助下，完成了大量的材料、應(yīng)用基礎(chǔ)、設(shè)計、制造工藝、質(zhì)量控制等基礎(chǔ)研究，建立了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。瑞典SKF、德國Schaeffler等國際著名軸承公司都開發(fā)出高水平的陶瓷軸承技術(shù)和產(chǎn)品，特別是熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)（HIPPed）氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承為高端裝備技術(shù)的發(fā)展提供了核心技術(shù)支撐。經(jīng)過40多年的研究和積累，Si3N4陶瓷軸承已經(jīng)應(yīng)用在直升機主傳動裝置、航空APU、飛機附件傳動、導(dǎo)彈發(fā)動機、火箭發(fā)動機和航天衛(wèi)星上，已成為高端制造裝備中高速和高功率主軸的標配軸承。

本文重點介紹了高可靠性陶瓷軸承技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用，并對陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展進行評述和展望。

1 陶瓷軸承材料

軸承材料主要是指高鉻抗疲勞軸承鋼、耐高溫工具鋼、高強度齒輪軸承一體化鋼等軸承材料，包括GCr15、9Cr18、M50、M50NiL、Cronidur30、BG42、XD15N、CSS-42L等，航空技術(shù)的發(fā)展對高溫、高速、高可靠性軸承及材料的的需求也越來越高，由此也促進了軸承材料技術(shù)的發(fā)展。

氮化硅（Si3N4）等精細工程陶瓷具有密度低、硬度高、抗壓強度高、穩(wěn)定性好、耐高溫、抗磨損、抗腐蝕、抗冷焊、電絕緣和不導(dǎo)磁等優(yōu)點，該類材料軸承可廣泛用于真空、高溫、高速、低溫、腐蝕、要求不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電和防冷焊等工況，還可適用于瞬時無潤滑等特殊工況，且對潤滑劑污染敏感性小，適應(yīng)性廣泛。特別是陶瓷與鋼的動靜摩擦系數(shù)小，且穩(wěn)定，不易燒傷滾道和發(fā)生冷焊，在惡劣工況下能夠顯著延長軸承的使用壽命。德國早期研制的航空混合式陶瓷軸承[5]如圖1所示。

圖1 德國FAG開發(fā)的航空發(fā)動機用陶瓷軸承

由于存在夾雜、微型氣孔和晶界玻璃相等，早期陶瓷材料的脆性始終是影響長壽命軸承失效模式和抗沖擊能力的最直接因素之一。近年來，通過大量研究，發(fā)展了陶瓷毛坯的熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)，通過控制陶瓷粉體的純度、粒徑及其一致性、造粒過程與相成分等，使氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承、氧化鋯（ZrO2）陶瓷軸承的綜合性能大幅度提高，抗彎強度和斷裂韌性等關(guān)鍵指標都能滿足要求，其中熱等靜壓氮化硅陶瓷相對密度可以達到99.9%以上，3點抗彎強度高于1000 MPa，斷裂韌性可達到 8～9 MPa·m以上，大大優(yōu)于滾動軸承的最低門檻值6 MPa·m。陶瓷與軸承鋼材料的主要參數(shù)對比見表1。

近年來，隨著陶瓷軸承在高端裝備領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，材料對軸承質(zhì)量的影響得到了廣泛重視，ISO 26602:2009《Fine ceramics(advanced ceramics,advanced technical ceramics)—Silicon nitride materials for rolling bearing balls》對滾動軸承氮化硅陶瓷材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、彎曲強度、硬度、斷裂韌性、顯微結(jié)構(gòu)、材料分級等性能指標給出了明確的測量方法和范圍，ASTM F 2094/F 2094M-08《Standard Specification for Silicon Nitride Bearing Balls》除了對材料質(zhì)量標準明確要求外，還明確規(guī)定了氮化硅陶瓷球的化學(xué)成分、表面質(zhì)量、檢測方法、幾何參數(shù)以及等級用途等。

2 陶瓷軸承的設(shè)計與驗證技術(shù)

陶瓷滾動軸承的結(jié)構(gòu)和性能匹配性是設(shè)計和應(yīng)用的核心技術(shù)，其包括應(yīng)力設(shè)計、熱設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計和壽命設(shè)計。

大量研究表明，熱壓氣氛燒結(jié)（GPS）和熱等靜壓燒結(jié)（HIP）的氮化硅陶瓷在滾動接觸壽命試驗過程中，即使在7.6 GPa的高接觸應(yīng)力下，其失效模式依然是漸進性的疲勞失效模式，如圖2所示[6-7]。對于航空等關(guān)鍵部位的軸承而言，有著漫長的起源和擴展過程和可以監(jiān)測使用的“良性”失效模式，意味著在軸承使用過程中不會發(fā)生粉碎性的瞬間解體。但陶瓷軸承正常工況下，其溫升一般要比全鋼軸承的低20%～30%，在高速條件下，其低摩擦熱對表面材料磨損和潤滑劑降解的進一步降低具有更明顯的優(yōu)勢。因此，陶瓷軸承的基本壽命設(shè)計理論仍然可以采用L-P的設(shè)計公式，即 L=（C/P）n/3，式中：C、P 分別為軸承的基本額定動載荷與當量動載荷；n為與材料有關(guān)的壽命指數(shù)，對于鋼制單列球軸承和滾子軸承，n分別取值9和10，對氮化硅混合式陶瓷軸承，n=16.1，很顯然陶瓷軸承疲勞發(fā)展趨勢與鋼軸承不同。Zaretsky、Harris等人對長期積累的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究結(jié)果表明，如果仍采用L-P公式計算，混合式陶瓷軸承的壽命會被嚴重低估[8]，采用不同材料和工藝制備的陶瓷軸承，其壽命參數(shù)是會變化的，因此，必須先通過試驗獲取該參數(shù)的準確值。

表1 氮化硅(Si3N4)陶瓷、氧化鋯(ZrO2)陶瓷和軸承鋼性能參數(shù)對比

圖2 陶瓷滾動體的滾動接觸疲勞失效模式

陶瓷滾動軸承的應(yīng)力設(shè)計要綜合考慮公稱接觸應(yīng)力、振動附加應(yīng)力、熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力和工況附加應(yīng)力等，同時還要考慮配副材料的承載能力。事實上，為了充分發(fā)揮陶瓷新材料的優(yōu)勢，陶瓷軸承往往需要突破鋼軸承的極限性能，如高速性能、高溫性能、長壽命質(zhì)載和高可靠性等。因此與通用滾動軸承設(shè)計不同，在設(shè)計陶瓷軸承時，除了需要設(shè)計基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需要面向工況開展表面摩擦學(xué)性能的匹配性設(shè)計、材料匹配性設(shè)計、結(jié)構(gòu)動態(tài)性能設(shè)計、熱特性設(shè)計、潤滑性能相容性設(shè)計和工作性能設(shè)計等，但設(shè)計理念和結(jié)果還需要進一步驗證。特別值得一提的是，由于材料機械性能的差異，陶瓷軸承剛度會產(chǎn)生較大的變化，由此引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐剛度與動態(tài)響應(yīng)以及附加動載荷的較大變化，從而導(dǎo)致動態(tài)性能設(shè)計方法的較大變化，需要開發(fā)專用的動態(tài)性能分析軟件。

在航空陶瓷軸承材料匹配性設(shè)計方面，重點考慮軸承的抗疲勞能力匹配問題，過大的硬度差會導(dǎo)致軸承元件的過早疲勞和不對稱疲勞。FAG研究結(jié)果顯示，Si3N4陶瓷與M50NiL鋼以及Cronidur 30鋼組成的混合式陶瓷軸承性能匹配最佳。而哈爾濱工業(yè)大學(xué)的長期研究結(jié)果則表明，通過材料配方與組分設(shè)計及軸承鋼表面的2次改性處理技術(shù)，將陶瓷元件的硬度從高向低調(diào)整，將軸承鋼滾道承載區(qū)域改性和表面改性適當提高，其壽命相應(yīng)比全鋼軸承延長1.5～2倍。滾動軸承內(nèi)部的主承載區(qū)都是點接觸或線接觸，接觸應(yīng)力很高。陶瓷軸承設(shè)計需要統(tǒng)籌考慮無限壽命的承載能力與瞬態(tài)附加動載荷和基于環(huán)境熱特性及接觸微區(qū)瞬態(tài)熱效應(yīng)的熱邊界特性、以及基于接觸微區(qū)永久變形精確計算的極限靜載荷等。研究表明，陶瓷滾動體的高速離心力減小將導(dǎo)致軸承最小載荷和接觸角及實際接觸應(yīng)力等發(fā)生顯著變化；接觸微區(qū)的溫升減小將進一步顯著改變軸承的工作游隙和潤滑劑的流變特性。此外，盡管軸承內(nèi)部發(fā)熱量大大減少，但熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)等不同，陶瓷軸承內(nèi)部的摩擦熱分配機制發(fā)生了顯著變化，陶瓷滾動體的熱影響區(qū)域趨表化現(xiàn)象十分嚴重，在大溫差條件或溫度急劇變化的工況下，高速陶瓷滾動體表層極薄區(qū)域還會經(jīng)歷熱應(yīng)力的急劇變化，導(dǎo)致高速質(zhì)載熱振損傷。超低溫高速質(zhì)載陶瓷軸承工作后淺表層出現(xiàn)的細密收斂網(wǎng)紋[8]如圖3所示，毋容置疑，對軸承的精度、噪聲、疲勞壽命會產(chǎn)生較大影響。要考慮裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力、表面質(zhì)量狀態(tài)和潤滑狀態(tài)等修正，由于材料特性差異，不能沿用全鋼軸承的修正參數(shù)。

作為航空軸承的新型材料，陶瓷軸承應(yīng)用到航空領(lǐng)域還要經(jīng)過大量的工況適應(yīng)性驗證，除了壽命驗證試驗以外，還需要完成高速試驗、極限溫升試驗、抗污染能力試驗、斷油試驗和葉片脫落沖擊試驗等，以獲得清晰的設(shè)計邊界和使用邊界參數(shù)，并為可靠性設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

3 陶瓷軸承的制造技術(shù)與質(zhì)量控制技術(shù)

盡管Si3N4陶瓷在所有的工程陶瓷中具有優(yōu)異的綜合性能，但與軸承鋼相比，其低韌性、高硬度和中等彎曲強度依然是陶瓷材料對損傷和缺陷敏感的致命弱點，因而低缺陷毛坯、低損傷加工工藝和無損檢測是保障陶瓷軸承質(zhì)量一致性和工作可靠性的最直接手段，即使是采用熱等靜壓制造的氮化硅（HIPPed Si3N4）陶瓷滾動體亦如此，因此，高可靠性的陶瓷軸承需要100%的無損探傷來保證。陶瓷無損檢測技術(shù)分為毛坯檢測技術(shù)和成品檢測技術(shù)，其中聲發(fā)射共振技術(shù)（Acoustic Resonance）和激光材料評價技術(shù)（Laser Material Evaluation Techniques）在高端應(yīng)用中具有良好的前景。

陶瓷滾動軸承元件的主要承載表面和次表層的缺陷和損傷可以由毛坯帶來和由加工過程引起，如圖4所示。從滾動軸承內(nèi)部的Hertz接觸基本理論可知，在不考慮摩擦力時，由材料顯微結(jié)構(gòu)缺陷引起的疲勞損傷起源于距表面半徑b＝0.78（b為軸承內(nèi)部接觸橢圓的短軸半徑）深度處的次表層，考慮到陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)的非均勻性，實際疲勞起源區(qū)域預(yù)計在距表層深度b以內(nèi)，同時在考慮摩擦力作用時，由于剪切應(yīng)力和摩擦熱影響區(qū)域趨表化，會引起疲勞起源深度逐步趨表化，圖5為軸承內(nèi)部高速滑滾接觸區(qū)域中摩擦系數(shù)u對摩擦副次表層最大剪切應(yīng)力的影響規(guī)律，熱影響規(guī)律與此類似。

在ASTM F 2094/F 2094M-08標準中，將氮化硅陶瓷球的缺陷分為夾雜（Inclusions）、疏松（Porosity）、各類劃痕和小坑（Pits,scratches,nicks,scuffs）、裂紋（Cracks or linear indications）和色差（Color variation）等5大類加以控制，同時建議采用光學(xué)檢查、熒光穿透性檢查和超聲檢查等檢測方法控制表面質(zhì)量，其中光學(xué)檢查依然是目前高可靠性陶瓷球的主要檢查手段。研究表明，Si3N4陶瓷的抗疲勞能力需要杜絕在主承載區(qū)域內(nèi)5μm以上的顯著缺陷。然而，目前對鋼軸承的無損檢測手段由于30μm以上的分辨率和陶瓷材料不導(dǎo)瓷不導(dǎo)電等特點而無法采用。

近年來，隨著高精度陶瓷軸承技術(shù)的在高端領(lǐng)域的應(yīng)用，陶瓷軸承滾動體的高精度X射線無損探傷技術(shù)、表面波聲成像技術(shù)（Surface Wave Acoustic Imaging）和掃描電子聲發(fā)射技術(shù)（Scanning Electron Acoustic Micrographs，SEAMS）開始投入使用，使得無損探傷精度大幅度提高，其中Micro CT分辨率可以達到1μm，通過強大的軟件可以獲得實際3D圖像，如圖6所示。此外，國際上將高精度成像NDE技術(shù)（CT）與有限元(FEM)快速建模方法集成，發(fā)展了對陶瓷零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和缺陷的高精度3D成像無損檢測分析NDE FE方法和技術(shù)[10]，為進一步采用FEM方法評估損傷或缺陷的危險程度提供了技術(shù)檢測手段。

4 陶瓷軸承的潤滑技術(shù)

陶瓷軸承具有很好的潤滑工況適應(yīng)性。由于發(fā)熱小，并與軸承鋼的摩擦相容性好等優(yōu)勢，陶瓷軸承在固體潤滑、薄膜潤滑、脂潤滑、少量潤滑和貧油潤滑等比較惡劣的條件下能夠可靠地工作，而且由于抗磨損、熱性能穩(wěn)定，且不會出現(xiàn)高溫熔化咬死等惡性失效，潤滑恢復(fù)后仍能繼續(xù)工作，這對航空軸承的斷油能力要求，特別是直升機等長時間高功率密度斷油運行能力要求是一個重要保障。陶瓷軸承和鋼軸承在模擬航空發(fā)動機要求的斷油試驗過程的溫升記錄如圖7所示，很顯然陶瓷軸承在斷油過程中溫升較低，恢復(fù)供油后能迅速恢復(fù)到斷油前的低溫升穩(wěn)定工作狀態(tài)，分析認為，在斷油過程中，由于結(jié)構(gòu)尺寸變化小和接觸區(qū)滑動摩擦變化小從而增強了抗斷油能力，而在ACM高轉(zhuǎn)速50000 r/min下，達到了極限試驗117min斷油條件的安全運行。在脂潤滑條件下，305陶瓷軸承正常高速條件下溫升比全鋼軸承低40～50℃，如圖8所示，圖8（b)表明鋼軸承出現(xiàn)高溫卡死不能繼續(xù)工作時，陶瓷軸承依然能夠繼續(xù)可靠運行，大大提高了裝備的極限生存能力。在正確潤滑條件下，陶瓷軸承的長壽命和高可靠性指標更出色。

圖6 陶瓷晶須增強復(fù)合材料Micro CT 3維掃描圖像（分辨率1.5μm）

由于陶瓷的高度穩(wěn)定性，目前使用的潤滑油對陶瓷軸承都適應(yīng)，噴油潤滑、環(huán)下潤滑和油氣潤滑等方式依然可以采用，由于溫升小，潤滑劑量可以適當減少，從而進一步減少潤滑劑剪切發(fā)熱，具體用量需要通過極限工況綜合試驗確定。

陶瓷軸承還具有特別強的介質(zhì)潤滑適應(yīng)性。日本學(xué)者對空間站水環(huán)境條件下陶瓷軸承的使用情況進行的研究表明，氮化硅陶瓷軸承表面類似化學(xué)鈍化的現(xiàn)象有利于形成低摩擦系數(shù)薄膜和減少磨損。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究表明，只要設(shè)計合理，水介質(zhì)條件下氮化硅陶瓷軸承可以獲得無限期壽命。在部分有限壽命小型航空發(fā)動機中，燃料潤滑是1種簡化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高可靠性的有效途徑之一，陶瓷軸承對煤油、烴等都具有良好的適應(yīng)性。

5 陶瓷軸承的典型應(yīng)用

20世紀90年代末，陶瓷軸承逐步開始進入航天、航空、高速電主軸等高端領(lǐng)域，滾動軸承的極限性能提高了一大步。日本為LE-7火箭發(fā)動機、法國通過HDN8項目為新一代Ariane 5火箭上面級發(fā)動機成功研制轉(zhuǎn)速分別達到120000 r/min和80000 r/min、dn值（d為軸承的內(nèi)徑，n為軸承的轉(zhuǎn)速）分別高達3×106mm·r/min和 2.8×106mm·r/min的固體潤滑低溫陶瓷軸承；美國1996年將氮化硅陶瓷軸承應(yīng)用在航天飛機發(fā)動機上，如圖9所示。

圖9 液氫試驗后的SSME低溫泵高速重載陶瓷軸承[9]

1995～1997年，美國航空工業(yè)進行了大直徑混合式陶瓷軸承的研究，速度指標達到2.1×106mm·r/min，不僅承受了大負荷和沖擊負荷，還安全經(jīng)歷了起飛、爬高、巡航和降落等典型工況試驗以及斷油30 s考驗，全負荷最長斷油安全運轉(zhuǎn)時間為5 min 30 s，遠遠超過了實際要求，而且在供油恢復(fù)以后，軸承亦隨之恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，完全避免了鋼軸承斷油發(fā)熱融化毀滅的惡性失效，軸承的實際安全工作壽命是同尺寸全鋼軸承的5倍；現(xiàn)在航空APU、姿態(tài)控制系統(tǒng)裝置、空氣吸氣裝置（Air-breathing）中已經(jīng)開始使用陶瓷球軸承。陶瓷軸承技術(shù)通過技術(shù)轉(zhuǎn)化（Technology Transfer）已在發(fā)動機空氣循環(huán)裝置（ACM）、短距起飛垂直著陸發(fā)動機噴管軸承等航空領(lǐng)域開始應(yīng)用。

陶瓷軸承在有限壽命發(fā)動機上的應(yīng)用比較廣泛，主要針對無人機和導(dǎo)彈發(fā)動機等，目的主要是提高極限轉(zhuǎn)速和耐溫能力，通過采用脂潤滑或固體潤滑，或采用固體潤滑+燃料冷卻等措施使發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化，質(zhì)量減輕，以進一步提高可靠性；即使是對現(xiàn)有方案的簡單替代，也可以進一步使發(fā)動機的壽命延長和可靠性提高，實現(xiàn)裝備增程和可靠性增長，提高工作安全裕度和抗極限工況的波動能力。

6 陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展趨勢

航空軸承技術(shù)的發(fā)展歷史清楚地表明，從M50到M50NiL、Cronidur 30，再到目前正在推廣使用的氮化硅陶瓷材料，每次軸承材料的改進都推動著航空軸承技術(shù)的快速發(fā)展。高溫高速陶瓷軸承和全鋼軸承的技術(shù)指標對比如圖10所示，可以預(yù)見，陶瓷軸承的優(yōu)異性能，能夠為航空裝備領(lǐng)域發(fā)展提供重要基礎(chǔ)技術(shù)保障。

圖10 高溫高速陶瓷軸承與鋼軸承的性能對比[2]

目前，航空長壽命軸承的速度指標已經(jīng)突破2.5×106mm·r/min，航天和武器裝備中高速軸承的有限壽命速度指標已達到3×106mm·r/min，新一代航空軸承將在（3～4）×106mm·r/min之間工作，高性能的陶瓷軸承將是應(yīng)對航空裝備高速化發(fā)展的有效技術(shù)途徑之一。

未來航空陶瓷軸承的技術(shù)發(fā)展趨勢包括：

（1）高韌高強材料技術(shù)。采用高純、高球型度和粒徑分布相對集中的氮化硅粉，經(jīng)過脫氧和脫碳等預(yù)處理，去除粉體中的有害成分，進行熱等靜壓燒結(jié)，通過工藝優(yōu)化，提高燒結(jié)助劑分散均勻性和陶瓷晶粒長徑比，達到制備顯微結(jié)構(gòu)均勻、抗彎強度1000 MPa以上、斷裂韌性8～9以上的優(yōu)質(zhì)陶瓷毛坯材料。

（2）低成本批量穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)?？傮w上，陶瓷軸承技術(shù)遠未成熟，真正發(fā)揮陶瓷優(yōu)異性能的主要是集中在極限工況專用陶瓷軸承。與其它機械部件一樣，陶瓷軸承的成本包括全壽命期研發(fā)費用、產(chǎn)品費用和維修費用，高成本依然是制約目前高端陶瓷軸承系統(tǒng)深入研究的影響因素，在應(yīng)用中還主要依賴全鋼軸承，同時高成本還源于主機技術(shù)復(fù)雜、對軸承需求批量小和可靠性要求高等特點。

（3）輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)，精確設(shè)計技術(shù)。航空傳動系統(tǒng)技術(shù)要求結(jié)構(gòu)輕、可靠性高。為此基于軸承接觸力學(xué)性能、熱學(xué)性能、摩擦學(xué)性能匹配與分析、軸承動力學(xué)性能、軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)性能、軸承-基座結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的軸承精確設(shè)計技術(shù)依然是重點發(fā)展趨勢；此外，通過極限性能的精確設(shè)計，發(fā)展先進的表面抗疲勞技術(shù)、高速高溫固體潤滑技術(shù)、脂潤滑技術(shù)、C-C輕型保持架技術(shù)，改善軸承內(nèi)部沖擊，降低軸承發(fā)熱，簡化軸承潤滑系統(tǒng)，可以進一步減少零件數(shù)量和減輕主機質(zhì)量，這對有限壽命和異常情況下航空裝備的安全將帶來突破性技術(shù)變革。

（4）陶瓷軸承的運行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)[12-13]?，F(xiàn)代航空器的轉(zhuǎn)速、溫度和載荷越來越高，而軸承性能的波動和軸承失效都會導(dǎo)致嚴重的系統(tǒng)問題或者失效，智能健康監(jiān)測系統(tǒng)（Intelligent Health Monitoring Systems）是航空裝備技術(shù)監(jiān)測的總體發(fā)展趨勢，軸承和齒輪的健康狀態(tài)監(jiān)測是其核心技術(shù)之一，美國通用航空發(fā)動機公司智能發(fā)動機（Intelligent Engine Systems）計劃中就包含了主軸No.3支點軸承的智能化監(jiān)測技術(shù)的研究。

根據(jù)對陶瓷軸承的材料和失效模式研究結(jié)果，傳統(tǒng)上的對鋼軸承的溫升、振動和光譜的時域監(jiān)測技術(shù)依然可以用于陶瓷軸承，只需通過研究，重新確定判據(jù)的閾值，但對陶瓷軸承的阻尼和振動頻率監(jiān)測需要重新考慮軸承的振動特性；目前對航空發(fā)動機和直升機潤滑油路上正在使用的顆粒計數(shù)器由于依賴顆粒磁性敏感技術(shù)而不能監(jiān)測陶瓷損傷的發(fā)生和進展，因此，特別需要開發(fā)既能檢測金屬滾道磨損顆粒，又能檢測陶瓷滾動體磨損顆粒的傳感器技術(shù)和方法，同時還需要研究開發(fā)早期預(yù)警的系統(tǒng)診斷技術(shù)；采用MEMS技術(shù)集成接觸式溫度傳感器、多傳感器集成設(shè)計和數(shù)據(jù)融合技術(shù)（Multi-sensor Data Fusion Techniques）將在陶瓷軸承和航空齒輪傳動等狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

（5）無損檢測和可靠性評價技術(shù)。陶瓷滾動體是多相燒結(jié)材料，其滾動接觸疲勞壽命受原材料、工藝、工況和工作歷史等參數(shù)明顯影響，因此軸承壽命的離散度大，可靠性評價還存在技術(shù)困難。發(fā)展對表面和次表層缺陷和損傷的無損檢測技術(shù)，特別是快速可靠的無損檢測技術(shù)，控制陶瓷元件的成品質(zhì)量，定量研究損傷模式和規(guī)律、極限抗損傷能力，建立可靠性評價模型，這都是陶瓷軸承高可靠性應(yīng)用的重點關(guān)注技術(shù)。

7 結(jié)束語

在航空、航天、武器裝備、高端制造工業(yè)領(lǐng)域中，延長裝備的壽命、提高可靠性和極限工作能力一直受到軸承技術(shù)的制約，將來還會如此。經(jīng)過40多年的研究，國際上高性能陶瓷軸承基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)取得了豐富的成果，通過技術(shù)轉(zhuǎn)化，陶瓷軸承已經(jīng)在高端裝備領(lǐng)域開始批量應(yīng)用。

氮化硅陶瓷軸承技術(shù)取得了突破性進展，已經(jīng)展示了作為新一代航空軸承材料的巨大優(yōu)勢，特別是混合式陶瓷軸承已經(jīng)開始在航空、航天、制造裝備領(lǐng)域應(yīng)用。但是，面向航空高速、質(zhì)載、高溫、長壽命、視情維護等技術(shù)發(fā)展趨勢和高可靠性使用要求，發(fā)展高性能的航空陶瓷軸承技術(shù)還需要強化材料制備、精確設(shè)計、精密低損傷制造、快速準確無損檢測、通用和極限潤滑等基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，加強陶瓷軸承的應(yīng)用研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化，強化應(yīng)用基礎(chǔ)試驗，在積累可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)展理論體系基礎(chǔ)上，系統(tǒng)建立高性能陶瓷軸承的核心技術(shù)體系。此外，由于航空和武器裝備極限服役能力經(jīng)常需要滿足大機動、大過載、大加速、高低溫、貧油潤滑等極端苛刻環(huán)境和工況條件，軸承技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)會持續(xù)存在，陶瓷軸承技術(shù)依然在持續(xù)發(fā)展過程中。

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