轴承表面制备TiN薄膜工艺与性能试验研究

【类型】学位论文

【作者】谢峰 

【关键词】 TiN薄膜,航空发动机轴承,台架试验,摩擦学性能,Adams运动仿真

【摘要】航空发动机主轴轴承是发动机中非常重要的零部件之一,它的性能好坏对航空发动机的性能有着直接影响。主轴轴承工作中出现了磨损失效的问题,轴承在运转时有杂质混入润滑油进入轴承,导致轴承保持架磨损轴承套圈引导面,最坏情况是运转不到10小时,引导面即被磨平。表面工程技术应用到航空轴承上,对于提高轴承的性能和服役寿命有着不可替代的作用。应用物理气相沉积技术在航空轴承引导面表面制备TiN薄膜,能够强化轴承引导面表面摩擦学性能,提高轴承表面耐磨性和服役寿命。因此,研究TiN薄膜的制备技术和工艺,提高薄膜的综合性能,实现该技术在航空发动机轴承上的应用,具有重要意义。本文研究了 TiN薄膜的制备技术、性能表征方法和制备工艺优化,设计了轴承工装,改进了镀膜转架系统,实现了 TiN薄膜在航空轴承表面的制备与应用,并对镀膜轴承进行了台架试验验证。使用多弧离子镀膜设备对TiN薄膜进行制备研究,TiN薄膜性能的影响因素众多,其中基体偏压、靶电流、气体分压、沉积温度等工艺参数是薄膜性能最主要的影响因素。设计了四因素三水平的正交试验研究分析各个工艺因素对TiN薄膜性能的影响规律,进而优化工艺参数组合,优化试验结果表明,基体偏压80V、靶电流70A、沉积温度300℃、N2气体流量400SCCM时,沉积得到的TiN薄膜具有较优异的综合性能。显微硬度超过2200HK0.025,平均达到2264.03HK0.025;膜基结合力在60N以上,最高达70N,平均结合力达66.13N;摩擦系数低于0.6,平均为0.5699;XRD检测表明薄膜具有强烈的(111)晶面择优生长取向,预示着薄膜的耐磨性、硬度等性能优异;薄膜厚度适中,在2μm-4.5μm之间;采用三维白光干涉仪对磨痕测量结果显示,TiN薄膜具有较好的耐磨性能。为实现TiN薄膜在航空轴承外圈引导面部位的良好沉积,对轴承进行工装设计。航空轴承作为高精密零件,要求需要沉积TiN薄膜的部位不能漏,不沉积薄膜的部位绝不能有涂层。引导面和滚道相邻,因此滚道挡圈设计为与滚道弧面相配合的弧面,保证挡圈能严密遮挡滚道。由于轴承镀膜部位引导面是曲面,前期试验中发现薄膜厚度不均匀,为使沉积的TiN薄膜厚度均匀,对设备工件转架作了改进设计。利用行星齿轮系统的运动原理改变轴承在镀膜真空室中的运动方式,使轴承既绕着中心轮公转,又绕着自身轴线自转。设计中心轮一个,其分度圆直径D1=333mm,模数m=3;行星轮五个,其分度圆直径D2=66mm,模数m=3。使用Adams多体动力学仿真分析软件对轴承镀膜转架进行运动学分析,结果表明镀膜转架运动方式达到预期目标,轴承在转架的带动下能实现公转和自转,轮系传动比仿真计算值和理论计算值相一致。使用哈轴公司主轴轴承试验器,对沉积有TiN薄膜的轴承进行台架试验。轴承通过了 50小时的考核验证,经分析检测,TiN薄膜表面状态完好,无磨损、掉块等缺陷,轴承仍可继续使用。综上,使用物理气相沉积技术在航空发动机轴承上制备TiN薄膜能够解决轴承引导面耐磨性不足的问题,能够帮助提高轴承的服役寿命。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】中国农业机械化科学研究院

【学位授予年度】2017

【导师姓名】关成君;詹华

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