我國航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命超5萬小時

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10月24日，由北京航空材料研究院實施的航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞壽命試驗突破5萬小時，標(biāo)志著我國高端裝備制造技術(shù)取得全新突破。

此次進(jìn)行疲勞試驗的關(guān)鍵構(gòu)件是由我國自主研制的航空發(fā)動機(jī)主軸承，在試驗器上等效加速試驗疲勞壽命5萬小時未失效，創(chuàng)造了我國新的紀(jì)錄。

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北京航空材料研究院高級工程師 湯春峰：飛機(jī)要飛幾千小時上萬小時，如果軸承出了故障，發(fā)動機(jī)就不能使用了，它是發(fā)動機(jī)的中樞。試驗?zāi)M了航空發(fā)動機(jī)的工作狀況，到目前為止，已經(jīng)試驗加速等效壽命5萬小時還未失效，試驗還在進(jìn)行當(dāng)中。
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據(jù)介紹，像飛機(jī)、高鐵等高端裝備在運(yùn)行服役過程中，其中關(guān)鍵構(gòu)件會發(fā)生疲勞現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋、發(fā)生斷裂導(dǎo)致產(chǎn)品失效，是世界工程領(lǐng)域的一大難題。
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商用航空發(fā)動機(jī)的主軸承位置

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我國科研人員經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，自主研發(fā)了多項抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù)，建立了抗疲勞制造技術(shù)體系，解決了關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞失效問題，為我國高端裝備全面自主化奠定更加堅實的基礎(chǔ)。
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北京航空材料研究院研究員 中國工程院院士 趙振業(yè)：我們的抗疲勞制造技術(shù)，幾乎所有的關(guān)鍵構(gòu)件都可以做。裝備的壽命和可靠性都是拿關(guān)鍵構(gòu)件來體現(xiàn)的，有了關(guān)鍵構(gòu)件，就可以做高端裝備。所以中國的制造技術(shù)整個面上的提升，達(dá)到三個極限，極限壽命、極限可靠性、極限減重，也就是說處于國際領(lǐng)先水平。
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4 q  R8 h5 n# C8 D! l疲勞、磨損、腐蝕，是世界公認(rèn)的機(jī)械工程制造三大難題。
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所謂疲勞，是指材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。通俗講，好比一根鐵絲，經(jīng)過反復(fù)折彎后，就會發(fā)燙，直至斷裂，這就是疲勞所致。

“疲勞”問題的發(fā)展，最早可追溯到1830年，雖歷經(jīng)近兩百年的研究探索，時至今日，“疲勞失效”問題仍位居三大難題之首。因為磨損可以通過預(yù)警提前預(yù)防，腐蝕可以通過修整、防護(hù)延長壽命，而疲勞則是在沒有任何征兆情況下突然斷裂，可謂防不勝防。

+ S; J& u! x2 A: J& D* g“成形”制造技術(shù)，是世界第一代工程制造技術(shù)，已傳承百年，它追求的是“形位精密”，目標(biāo)是向“近無缺陷”方向發(fā)展，但沒有解決疲勞問題，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件存在著壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等突出問題。

, e5 y" J7 k, |2 c* t美國從1948年至1970年，舉全國之力，研究發(fā)明了第二代制造技術(shù)----“表面完整性”制造技術(shù)，這是一門“切削加工+疲勞學(xué)”的跨學(xué)科技術(shù)，通過構(gòu)件表面強(qiáng)化，改善疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感，以延長產(chǎn)品壽命。這項技術(shù)使得西方在高端制造方面處于壟斷地位，但疲勞問題仍沒有解決，世界制造至今未升級轉(zhuǎn)型。
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關(guān)鍵構(gòu)件，是高端制造的核心，主要包括傳動構(gòu)件，如齒輪、軸承等；轉(zhuǎn)動構(gòu)件，如葉片、輪盤等；以及主承力構(gòu)件起落架、對接螺栓等。長期從事航空材料研究的趙振業(yè)院士認(rèn)為，關(guān)鍵構(gòu)件是設(shè)計、制造和材料三個技術(shù)體系的集成，其基本特性是：決定裝備主要功能，體現(xiàn)壽命與可靠性，失效釀成災(zāi)難性后果，疲勞是主要失效模式。
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軸承被稱為工業(yè)的“關(guān)節(jié)”。第二次世界大戰(zhàn)中，蘇、德兩軍進(jìn)攻對方，轟炸目標(biāo)都首選對方軸承廠，可見軸承的重要性。高性能軸承和齒輪是機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件，在直升機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、賽車及其他精密機(jī)械領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，其性能成為制約各種機(jī)械性能壽命和可靠性的重要因素。
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二十世紀(jì)六十年代，美國把雙真空熔煉技術(shù)引入齒輪鋼，解決了傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵難題，他們制造的航空主軸承壽命長達(dá)數(shù)千小時甚至上萬小時。為此，美西方5家公司在長達(dá)50多年時間里壟斷了全世界高端軸承80%的市場、航空和高鐵100%市場。當(dāng)時，我國高性能齒輪軸承鋼技術(shù)十分落后，航空主軸承壽命不足200小時，嚴(yán)重制約了航空發(fā)動機(jī)、直升機(jī)等武器裝備和高端機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展。
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2009年國家有關(guān)部門部署了《高強(qiáng)度抗疲勞航構(gòu)件抗疲勞制造基礎(chǔ)研究》重大項目，要求研究一個驗證件，以評價抗疲勞制造理論和方法是否可用。因為航空發(fā)動機(jī)主軸承是最重要、難度最大的關(guān)鍵構(gòu)件，趙振業(yè)院士團(tuán)隊選擇了某個主點(diǎn)主軸承，這樣既能完成驗證，又能解決難題。

: Y& c  y. t' P- J, e* L  f在接下來的13年時間里，趙振業(yè)主持新型軸承齒輪鋼M50NiL純凈化研究。他通過“提純原材料、爐外精煉、VIM+VAR雙真空熔煉、墩拔開坯”等工藝路線，使M50NiL純凈度超過國際領(lǐng)先水平。他還設(shè)計了一種表層硬化型不銹齒輪軸承鋼成分體系，首次將齒輪軸承鋼提升到超高強(qiáng)度、高韌性和超高硬度水平。

2021年7月28日，采用新型軸承齒輪鋼M50NiL的航空主軸承與國際最先進(jìn)的產(chǎn)品進(jìn)行抗疲勞試驗“同臺競技”，我國主軸承滾珠壽命達(dá)到百萬小時，高出國外產(chǎn)品15倍；在1.6倍載荷譜最高載荷下加速試驗壽命（換算）超過3萬小時未失效，打破國際同類產(chǎn)品2萬小時未失效的紀(jì)錄。國家有關(guān)部門順利驗收通過抗疲勞制造基礎(chǔ)研究項目，包括抗疲勞制造5個機(jī)理、抗疲勞制造4種方法，以及提高疲勞強(qiáng)度100%，提高疲勞壽命100倍等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全部達(dá)標(biāo)完成。
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9 h" w9 f/ R& T1 Q9 u: y' y; c2022年10月24日，從北京航材院又傳來振奮人心的新聞：趙振業(yè)院士團(tuán)隊研發(fā)航空主軸承抗疲勞試驗達(dá)到50000小時未失效。這是一個具有劃時代意義的里程碑，機(jī)械工程制造業(yè)又一個世界紀(jì)錄誕生了！

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