K465超高温合金向心关节轴承的摩擦磨损性能研究

张翔，苏文文

(上海市轴承技术研究所，上海 201800)

某飞行器翼面操作杆中的向心关节轴承是运动部件与固定结构的连接点，可承受变载，实现规定角度的调心摆动或圆周转动。该轴承工作于超高温环境，静态下的最高环境温度可达950 ℃，摆动运动下的最高温度达850 ℃，同时伴有真空和原子氧辐照等复杂太空环境因素。

为满足超高温使用环境的要求，在轴承设计过程中应综合考虑轴承材料、涂层材料、轴承结构等因素，并通过变温无载启动力矩测试、超高温磨损试验验证轴承在超高温下的使用性能，为超高温关节轴承的开发提供借鉴。

1 试样设计

1.1 轴承材料与选型

向心关节轴承主要分为挤压型、开缝型、缺口型[5]。轴承结构形式的选取应综合考虑轴承使用温度，材料的硬度、塑韧性及成形工艺的影响。现阶段，挤压型向心关节轴承由于织物衬垫的限制，最高可承受240 ℃的高温；开缝型向心关节轴承要求材料具有较高的硬度和塑韧性，不适用于超高温工况；缺口型向心关节轴承(图1)的配合精度可通过机械加工精准控制，根据不同使用工况选定相应的表面处理，从而满足各类极限工况的使用要求。

图1 缺口型向心关节轴承结构示意图Fig.1 Structure diagram of notched radial spherical plain bearing

相关研究表明，耐温最高的第三代轴承钢可承受的最高温度为500 ℃[1]，440C的最佳摩擦温度为200 ℃[2]，不能满足超高温关节轴承的使用要求。K465合金是镍基沉淀硬化型轴晶铸造高温合金，使用温度可达1 050 ℃[3]，具有较高的高温强度和较好的耐热腐蚀性能，适用范围广，综合性能优越。采用K465合金制作的航空发动机燃气涡轮叶片(1 000 ℃)、涡轮导向叶片(达1 050 ℃)等均已通过试车考核，因此，可尝试在高温关节轴承上应用K465合金。

轴承的表面处理需综合考虑轴承在高温下的热膨胀、抗冲击、耐磨损等性能。相关研究表明，TiAlN涂层的抗氧化温度可达1 000 ℃以上[4]，在950 ℃下能稳定工作，涂层硬度可达3 200～3 300 HV，干摩擦因数约0.30～0.35，已在发动机组件、高温高压刀具等领域有成熟的应用，可作为高温轴承摩擦面的涂层材料。

经筛选与对比，确定缺口型向心关节轴承作为试样，轴承内、外圈材料采用K465-DS；涂层材料采用TiAlN，对内圈进行PVD处理。

1.2 轴承接口尺寸

根据飞行器组件接口尺寸，选定GE12D轴承为试验件，其尺寸参数见表1[6]，试验前轴承状态如图2所示。

表1 GE12D轴承尺寸参数Tab.1 Dimension parameters of GE12D bearing

图2 试验前试样Fig.2 Pre-test sample

2 试验方法

2.1 试验类型与试验参数

轴承试验分为变温环境下的无载启动力矩测试和高温环境下5 000次摆动磨损试验2种类型，试验参数见表2、表3。

表2 变温环境下无载启动力矩测试参数Tab.2 Parameters of no-load starting torque test under variable temperature

表3 高温环境下GE12D轴承磨损试验参数Tab.3 Parameters of wear test for GE12D bearing under high temperature

2.2 试验设备

试验设备如图3所示，可通过动齿轮齿条运动实现轴承的摆动，由加载系统提供试验所需的径向载荷，由扭矩传感器实时采集扭矩。

图3 试验设备Fig.3 Test equipment

2.3 安装与调试

将内圈与试验轴固定，与加载夹具相连后置于环境箱内。在环境箱外部安装冷却系统，确保非试验区域各构件不因高温受损。

恒温状态下，温度偏差±5 ℃。无载启动力矩测试时，箱内温度应至少保持60 s。

3 试验结果与分析

3.1 变温下轴承无载启动力矩测试

在室温下记录最大无载启动力矩值，随后以每15 min升高50 ℃的速率升温，每隔50 ℃记录最大无载启动力矩值；完成850 ℃下的无载启动力矩测试后，以每15 min降低50 ℃的速率降至室温，期间按相同方法采集数据。试验后的轴承如图4所示，无载启动力矩随温度的变化曲线如图5所示。

图4 变温下无载启动力矩试验后的试样(16-10-1)Fig.4 Sample 16-10-1 after no-load starting torque test under variable temperature

图5 变温下轴承无载启动力矩变化曲线Fig.5 Variation curve of no-load starting torque of bearing under variable temperature

分析无载启动力矩随温度的变化规律及试验后试样状态可知：

1)随温度升高，轴承无载启动力矩增加；随温度降低，无载启动力矩下降；850 ℃高温时的无载启动力矩约为室温下无载启动力矩的2～3倍，满足不高于5倍的使用要求。分析认为无载启动力矩的变化与K465合金材料热胀冷缩，以及TiAlN涂层在不同温度下的润滑特性有关[7]。

2)在升、降温过程中，相同温度下的力矩值存在偏差，与摩擦面的接触状态变化有关。

3)试验后，内圈球面有2条轻微摩擦划痕，试样状态整体良好。

3.2 高温磨损试验

安装前测试轴承径向游隙，安装后按表4中的试验参数开始高温磨损试验。以每15 min 升高50 ℃的速率从室温升至850 ℃并保温30 min，施加6 046 N的径向载荷后开启5 000次摆动磨损试验，每隔500次记录轴承的启动力矩，试验结束后拍照并测试径向游隙。

850 ℃下轴承启动力矩随摆动次数的变化如图6所示，试验后轴承状态如图7所示，试验前后轴承的径向游隙见表5。

表5 试验前、后GE12D轴承的径向游隙Tab.5 Radial clearance of GE12D bearing before and after test

图6 高温下轴承启动力矩的变化曲线Fig.6 Variation curve of staring torque of bearing under high temperature

图7 高温摆动试验后的试样(16-10-4)Fig.7 Sample 16-10-4 after high temperature swing test

分析力矩随摆动次数的变化规律，观察试验后轴承状态并对比试验前后径向游隙的变动量可知：

1)在850 ℃高温下，轴承启动力矩随摆动次数的增加先下降，随后逐渐平稳。磨损平稳后，轴承启动力矩的平均值为36 N·m。

2)试验过程中轴承滑动接触表面出现氧化，随摆动次数的增加，由摩擦痕迹逐步发展成具有一定宽度且边界明显的磨痕，摆动5 000次后内圈涂层未磨穿。

3)3组试样的平均径向游隙变动量为0.008 mm，满足不大于0.13 mm的使用要求。

综上，经5 000次高温磨损后，轴承涂层未磨穿，径向游隙变动量合格。

4 结束语

根据某飞行器翼面操作杆向心关节轴承的使用工况要求，经对比选定了以K465为轴承套圈材料、TiAlN为内圈涂层的缺口型向心关节轴承GE12D，并进行了变温下的轴承无载启动力矩测试和850 ℃高温下的5 000次摆动磨损试验，试验结果表明该轴承的启动力矩、径向游隙变动量均满足使用要求，且内圈涂层坚固耐磨，可作为超高温环境下的活动连接件使用。