我國航空發(fā)動機軸承等效模擬壽命已經(jīng)超過5萬小時
我國的航空航天軸承技術(shù)發(fā)展到什么水平了呢？中央電視臺曾報道，我國自主研制的航空發(fā)動機主軸承抗疲勞壽命模擬試驗突破5萬小時。航空發(fā)動機主軸承試驗模擬了航空發(fā)動機的實際工況。到目前為止，已經(jīng)試驗加速等效壽命5萬小時還未失效。目前國際先進水平最多也只能達到2萬小時左右。而且我們的試驗還沒結(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)動機主軸軸承
我國的航空發(fā)動機軸承長期以來都是技術(shù)短板，因此嚴重影響了我國軍用航空發(fā)動機的壽命。比如我國研制的WS10渦扇發(fā)動機，初期壽命只有1500小時左右。和國外軍用航空發(fā)動機普遍6000-8000小時的壽命相差甚遠。需要說明的國外軍用發(fā)動機的壽命還有更高記錄的報道，比如能夠達到一萬多小時。但這是極少數(shù)情況，不是每一臺發(fā)動機都能達到這個水平，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小時的樣子。
另外軍用發(fā)動機和民用發(fā)動機的壽命差別很大，民用發(fā)動機和軍用發(fā)動機不同。軍用發(fā)動機追求極限性能，民用發(fā)動機追求經(jīng)濟性能。所以民用發(fā)動機的壽命比軍用發(fā)動機長很多，民用渦扇發(fā)動機的壽命普遍能達到一萬多小時。
我國航空發(fā)動機軸承技術(shù)取得突破是近幾年的事情。此前我們也曾經(jīng)專門討論過這個問題。我國在軸承材料、制造工藝、基礎理論方面都取得了長足進步。近期中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進鋼鐵材料研究部在軸承鋼技術(shù)上取得重要突破。李殿中研究員團隊將稀土技術(shù)應用于軸承鋼的研制，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)動機軸承在使用壽命上取得突破。軸承滾珠實現(xiàn)接觸疲勞壽命400萬小時，達到世界領先水平的10倍。軸承壽命達到了世界航空航天發(fā)動機軸承頂級制造商德國FAG公司產(chǎn)品的22倍。豪克能技術(shù)可以實現(xiàn)金屬表層晶粒納米化，是繼車、銑、刨、磨等機械加工工藝之后，又一種全新的機械加工新工藝，是實現(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步，多年前中科院趙振業(yè)院士和他的團隊花了30年時間，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)層來保證疲勞強度的新一代先進制造技術(shù)，抗疲勞制造能夠抑制疲勞強度應力集中敏感，可以使材料的性能發(fā)揮到極限，使機械零件實現(xiàn)長壽命。此前機械制造行業(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到10，而抗疲勞制造可以提高到100。其實趙振業(yè)院士創(chuàng)造的抗疲勞制造理論不光可以用在航空發(fā)動機軸承上，在整個機械制造行業(yè)都是普遍適用的。
影響航空發(fā)動機壽命的關鍵部件有很多，不光有軸承，還有高、低壓渦輪葉片，低壓、高壓壓氣機葉片等。提高航空發(fā)動機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)等關鍵材料技術(shù)。在加工工藝方面也掌握了激光沖擊強化、噴丸沖擊強化等先進工藝。這些先進材料和工藝，以及制造理論的進步讓我國航空航天發(fā)動機的壽命有了大幅提高。比如我國WS15發(fā)動機的大修間隔已經(jīng)可以達到4000小時，大修一次就是8000小時，再修一次12000小時。
如果以每年飛行200小時計算，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)動機軸承的壽命目前已經(jīng)達到國際領先水平。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。
