我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等效模擬壽命已經(jīng)超過5萬小時(shí)

我國的航空航天軸承技術(shù)發(fā)展到什么水平了呢？中央電視臺(tái)曾報(bào)道，我國自主研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承抗疲勞壽命模擬試驗(yàn)突破5萬小時(shí)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承試驗(yàn)?zāi)M了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況。到目前為止，已經(jīng)試驗(yàn)加速等效壽命5萬小時(shí)還未失效。目前國際先進(jìn)水平最多也只能達(dá)到2萬小時(shí)左右。而且我們的試驗(yàn)還沒結(jié)束，還有可能創(chuàng)造出更高記錄。

珠海航展上展出的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承

我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承長期以來都是技術(shù)短板，因此嚴(yán)重影響了我國軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。比如我國研制的WS10渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，初期壽命只有1500小時(shí)左右。和國外軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍6000-8000小時(shí)的壽命相差甚遠(yuǎn)。需要說明的國外軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命還有更高記錄的報(bào)道，比如能夠達(dá)到一萬多小時(shí)。但這是極少數(shù)情況，不是每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都能達(dá)到這個(gè)水平，這樣的壽命是在非常理想的使用情況下取得的最高記錄。平均水平也就6000-8000小時(shí)的樣子。

另外軍用發(fā)動(dòng)機(jī)和民用發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命差別很大，民用發(fā)動(dòng)機(jī)和軍用發(fā)動(dòng)機(jī)不同。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)追求極限性能，民用發(fā)動(dòng)機(jī)追求經(jīng)濟(jì)性能。所以民用發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命比軍用發(fā)動(dòng)機(jī)長很多，民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命普遍能達(dá)到一萬多小時(shí)。

我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)取得突破是近幾年的事情。此前我們也曾經(jīng)專門討論過這個(gè)問題。我國在軸承材料、制造工藝、基礎(chǔ)理論方面都取得了長足進(jìn)步。近期中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)鋼鐵材料研究部在軸承鋼技術(shù)上取得重要突破。李殿中研究員團(tuán)隊(duì)將稀土技術(shù)應(yīng)用于軸承鋼的研制，開發(fā)出了“雙低氧稀土鋼”。

這一技術(shù)應(yīng)用在高純凈度的GCr15軸承鋼中后，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800MPa拉壓疲勞壽命提升了40倍，滾動(dòng)接觸疲勞壽命提升了40%。在軸承的加工工藝方面，早在2016年，山東華云與中科院趙振業(yè)院士合作，采用豪克能技術(shù)加工的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在使用壽命上取得突破。軸承滾珠實(shí)現(xiàn)接觸疲勞壽命400萬小時(shí)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平的10倍。軸承壽命達(dá)到了世界航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)軸承頂級制造商德國FAG公司產(chǎn)品的22倍。豪克能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬表層晶粒納米化，是繼車、銑、刨、磨等機(jī)械加工工藝之后，又一種全新的機(jī)械加工新工藝，是實(shí)現(xiàn)抗疲勞制造技術(shù)的一種重要工藝手段。在軸承制造理論上我們也取得了重大進(jìn)步，多年前中科院趙振業(yè)院士和他的團(tuán)隊(duì)花了30年時(shí)間，研究創(chuàng)造出一套新的抗疲勞制造理論體系。

抗疲勞制造技術(shù)，就是通過控制表面完整性和表面變質(zhì)層來保證疲勞強(qiáng)度的新一代先進(jìn)制造技術(shù)，抗疲勞制造能夠抑制疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感，可以使材料的性能發(fā)揮到極限，使機(jī)械零件實(shí)現(xiàn)長壽命。此前機(jī)械制造行業(yè)的制造技術(shù)理論經(jīng)歷過成型制造、表面完整性制造等兩代，這兩代制造技術(shù)理論都是是西方國家引領(lǐng)的。而抗疲勞制造技術(shù)是我國原創(chuàng)的第三代制造理論。

這一理論體系大幅提高了我國機(jī)械制造的理論技術(shù)水平，采用這一制造理論制造的產(chǎn)品壽命大幅提高。如果將成形制造的產(chǎn)品壽命定義為1，那么表面完整性制造可以達(dá)到10，而抗疲勞制造可以提高到100。其實(shí)趙振業(yè)院士創(chuàng)造的抗疲勞制造理論不光可以用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上，在整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)都是普遍適用的。

影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的關(guān)鍵部件有很多，不光有軸承，還有高、低壓渦輪葉片，低壓、高壓壓氣機(jī)葉片等。提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片壽命一方面靠材料，一方面靠工藝。在材料方面，我國已經(jīng)掌握了從第一代到第五代單晶合金葉片技術(shù)，鈦鋁合金技術(shù)等關(guān)鍵材料技術(shù)。在加工工藝方面也掌握了激光沖擊強(qiáng)化、噴丸沖擊強(qiáng)化等先進(jìn)工藝。這些先進(jìn)材料和工藝，以及制造理論的進(jìn)步讓我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命有了大幅提高。比如我國WS15發(fā)動(dòng)機(jī)的大修間隔已經(jīng)可以達(dá)到4000小時(shí)，大修一次就是8000小時(shí)，再修一次12000小時(shí)。

如果以每年飛行200小時(shí)計(jì)算，足夠服役60年，顯然這樣的壽命已經(jīng)足夠用了。我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的壽命目前已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。這也是我國要將航空航天軸承技術(shù)列入限制出口技術(shù)目錄的根本原因。