我國航空發(fā)動機關鍵構件疲勞壽命超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)動機關鍵構件抗疲勞壽命試驗突破5萬小時，標志著我國高端裝備制造技術取得全新突破。
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' R- u/ T' C+ W$ [; c" a, V此次進行疲勞試驗的關鍵構件是由我國自主研制的航空發(fā)動機主軸承，在試驗器上等效加速試驗疲勞壽命5萬小時未失效，創(chuàng)造了我國新的紀錄。
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北京航空材料研究院高級工程師 湯春峰：飛機要飛幾千小時上萬小時，如果軸承出了故障，發(fā)動機就不能使用了，它是發(fā)動機的中樞。試驗模擬了航空發(fā)動機的工作狀況，到目前為止，已經(jīng)試驗加速等效壽命5萬小時還未失效，試驗還在進行當中。

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據(jù)介紹，像飛機、高鐵等高端裝備在運行服役過程中，其中關鍵構件會發(fā)生疲勞現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋、發(fā)生斷裂導致產(chǎn)品失效，是世界工程領域的一大難題。

商用航空發(fā)動機的主軸承位置

我國科研人員經(jīng)過技術攻關，自主研發(fā)了多項抗疲勞制造關鍵技術，建立了抗疲勞制造技術體系，解決了關鍵構件的疲勞失效問題，為我國高端裝備全面自主化奠定更加堅實的基礎。
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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，幾乎所有的關鍵構件都可以做。裝備的壽命和可靠性都是拿關鍵構件來體現(xiàn)的，有了關鍵構件，就可以做高端裝備。所以中國的制造技術整個面上的提升，達到三個極限，極限壽命、極限可靠性、極限減重，也就是說處于國際領先水平。

  K- h+ L  p4 h' a' {- i0 q疲勞、磨損、腐蝕，是世界公認的機械工程制造三大難題。

! Q& ]& Z# g+ s2 ~所謂疲勞，是指材料在循環(huán)應力和應變作用下，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)過反復折彎后，就會發(fā)燙，直至斷裂，這就是疲勞所致。
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2 M$ w, Y: f; v! k* _  e* z& n“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警提前預防，腐蝕可以通過修整、防護延長壽命，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。
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“成形”制造技術，是世界第一代工程制造技術，已傳承百年，它追求的是“形位精密”，目標是向“近無缺陷”方向發(fā)展，但沒有解決疲勞問題，導致關鍵構件存在著壽命短、可靠性差和結(jié)構重等突出問題。
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' O9 Y% Z. ]& p9 M- D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----“表面完整性”制造技術，這是一門“切削加工+疲勞學”的跨學科技術，通過構件表面強化，改善疲勞強度應力集中敏感，以延長產(chǎn)品壽命。這項技術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。

關鍵構件，是高端制造的核心，主要包括傳動構件，如齒輪、軸承等；轉(zhuǎn)動構件，如葉片、輪盤等；以及主承力構件起落架、對接螺栓等。長期從事航空材料研究的趙振業(yè)院士認為，關鍵構件是設計、制造和材料三個技術體系的集成，其基本特性是：決定裝備主要功能，體現(xiàn)壽命與可靠性，失效釀成災難性后果，疲勞是主要失效模式。
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6 V! U* D: c% n4 d* }( h1 e軸承被稱為工業(yè)的“關節(jié)”。第二次世界大戰(zhàn)中，蘇、德兩軍進攻對方，轟炸目標都首選對方軸承廠，可見軸承的重要性。高性能軸承和齒輪是機械系統(tǒng)中的關鍵構件，在直升機、航空發(fā)動機、賽車及其他精密機械領域中廣泛應用，其性能成為制約各種機械性能壽命和可靠性的重要因素。
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二十世紀六十年代，美國把雙真空熔煉技術引入齒輪鋼，解決了傳動系統(tǒng)的關鍵難題，他們制造的航空主軸承壽命長達數(shù)千小時甚至上萬小時。為此，美西方5家公司在長達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。當時，我國高性能齒輪軸承鋼技術十分落后，航空主軸承壽命不足200小時，嚴重制約了航空發(fā)動機、直升機等武器裝備和高端機械產(chǎn)品的發(fā)展。
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2009年國家有關部門部署了《高強度抗疲勞航構件抗疲勞制造基礎研究》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)動機主軸承是最重要、難度最大的關鍵構件，趙振業(yè)院士團隊選擇了某個主點主軸承，這樣既能完成驗證，又能解決難題。

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純凈度超過國際領先水平。他還設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的產(chǎn)品進行抗疲勞試驗“同臺競技”，我國主軸承滾珠壽命達到百萬小時，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錄。國家有關部門順利驗收通過抗疲勞制造基礎研究項目，包括抗疲勞制造5個機理、抗疲勞制造4種方法，以及提高疲勞強度100%，提高疲勞壽命100倍等技術標準全部達標完成。

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/ z/ l$ K3 n- i2022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)院士團隊研發(fā)航空主軸承抗疲勞試驗達到50000小時未失效。這是一個具有劃時代意義的里程碑，機械工程制造業(yè)又一個世界紀錄誕生了！
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