高速重载轴承长寿命薄膜的低温制备与性能研究

发布时间：2018-02-03 12:45

  本文关键词： 高速重载轴承 低温制备复合功能薄膜系统 阳极层离子源 W掺杂梯度复合功能薄膜 台架考核　出处：《中国农业机械化科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：主轴轴承是航空发动机的"心脏",是发动机的关重件,由于是在高转速(14500r/min)、高载荷(50000N)和受力复杂的恶劣环境下服役,其运行寿命直接影响了发动机的寿命。服役过程中主轴轴承存在滑油系统失效导致的无油润滑,以及超载运行的可能性,此时发动机主轴轴承的服役工况已超出设计条件,现有的轴承材料(M50或M50NiL)与结构设计无法满足其对耐磨和减摩的要求,如何提高此类特殊工况条件下轴承的使用寿命,是目前各种技术争相创新的领域,本文在不改变轴承材料与结构设计的前提下,研究了应用表面镀膜技术提高主轴轴承在特殊工况条件下的使用寿命,并开展了台架考核验证。本文针对发动机主轴轴承的典型结构与服役工况深入分析后认为,合理设计薄膜的低温制备条件是高性能轴承表面薄膜制备研究的基础。本文采用多弧、磁控溅射和PECVD复合工艺,设计并搭建了低温制备复合功能薄膜系统,优选了阳极层离子源,避免了传统辉光放电产生的气体离子密度低、能量弱的缺点,解决了金属离子轰击材料表面的液滴残留问题,并且阳极层离子源与电弧复合刻蚀不会对零件产生明显的加热效应,降低了工件回火的风险,提高了薄膜与基体的结合力。本文针对影响膜/基结合力的关键因素—薄膜内应力,设计了 W掺杂的梯度复合多层结构薄膜,不仅有效降低了纯碳基薄膜本身的内应力,改善薄膜的韧性,提高碳基薄膜的膜/基结合力,同时W与C形成的WC相提升了薄膜的耐磨性,结合梯度复合多层结构又进一步提升了薄膜的韧性和膜/基结合力。通过采用接触力学专业计算软件FilmDoctor Pro测试所制备的碳基复合多层薄膜对基体材料抵抗塑性变形和接触疲劳性能不会产生影响。在薄膜结构优化设计的基础上,本文深入研究了 DLC薄膜掺杂W元素、TiN等多层结构薄膜的制备工艺,不同能量等离子刻蚀对薄膜结合力的影响、不同W的掺杂量对DLC薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响以及硬质杂质的进入对薄膜摩擦学性能的影响、不同的靶电流、基体偏压、沉积温度对TiN薄膜力学性能和摩擦学性能的影响,以及本体粗糙度对薄膜摩擦磨损性能的影响,获得了等离子刻蚀优化的工艺参数为基体偏压-400V、离子源功率2kW、处理时间60min;W-DLC薄膜优化的工艺参数为离子源10A、旋转阴极靶7.5A、基体偏压-80V、沉积温度180℃;TiN薄膜优化的工艺参数为靶电流100A、偏压-80V、沉积温度300℃。通过在不同粗糙度基体上制备碳基薄膜并进行了摩擦学性能的测试,研究了不同基体粗糙度对薄膜摩擦学性能的影响,结论为当基体粗糙度达到Ra0.025μm以上时,制备出的薄膜表现出了最好的膜/基结合力和最佳的摩擦磨损性能,满足设计的要求。本文采用设计与搭建的低温制备复合功能薄膜系统,针对轴承的特殊结构创新设计了轴承专用工装和滚动体(球)镀膜专用工装,实现了轴承表面梯度复合多层结构薄膜的制备,完成了轴承关键部位的长寿命W-DLC薄膜和TiN薄膜的制备,并在主机所台架测试平台上开展了试车考核,考核结果:轴承引导面低温制备的TiN薄膜,通过了 50小时性能考核,而未镀膜轴承未通过8小时的试验;W-DLC镀膜轴承通过了 30分钟断油试验测试,轴承工作正常,薄膜未失效;W-DLC梯度复合功能薄膜制备的轴承通过了大载荷试验(转速14500r/min、轴向载荷50000N)考核,镀膜轴承的回油温度始终较未镀膜轴承低(10℃～15℃)。结果表明,镀膜轴承具有更好的耐磨性和更低的摩擦系数,并且有效降低了轴承的摩擦生热,提升了润滑油的使用寿命,进一步保证了轴承的润滑效果,提高了轴承在特殊工况下的使用寿命。综上,通过本文的研究工作,设计并搭建了低温制备复合功能薄膜系统,设计的梯度复合功能薄膜,有效地提高了特殊服役工况下主轴轴承的服役寿命,研究结果将为我国航空发动机主轴轴承的设计和发展提供理论支持和技术保障。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国农业机械化科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V232.2;TB383.2

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴国光;;聚酯及其薄膜研发应用新进展[J];信息记录材料;2011年06期

2 赖高惠;薄膜与涂层[J];材料保护;2001年08期

3 李竹影;章铭亮;罗珊;;掺镍氧化钨钼薄膜的阻抗特性[J];海军工程大学学报;2009年02期

4 李立;权建洲;陶波;;膜电极薄膜层合同步补偿控制方法研究[J];组合机床与自动化加工技术;2012年03期

5 崔凤辉,M.A.Chesters;钾薄膜中俄歇电子的非弹性平均自由程[J];分析试验室;1991年01期

6 李玉庆;耐热高聚物热解石墨薄膜的研制[J];碳素;1990年02期

7 Т.Н.ШУШНОВА,王建荣;带薄膜层的合纤丝织物连接强力的预测[J];国外纺织技术;1999年02期

8 姜莉;刘奎仁;简小琴;王恩德;;光催化抗菌薄膜的制备与性能研究[J];分析仪器;2007年03期

9 张伟;吴耀根;段富华;廖凯明;;功能化薄膜发展战略[J];塑料制造;2013年06期

10 周红;余森江;张永炬;蔡萍根;;楔形铁薄膜的制备及内应力释放模式研究[J];稀有金属材料与工程;2012年S2期

相关会议论文 前10条

1 张俊平;张理;陈萍;;菁染料薄膜溶剂效应的研究[A];中国感光学会第六次全国感光（影像）科学大会暨第五届青年学术交流会论文摘要集[C];2001年

2 申玉双;伊赞荃;王红;;溶胶-水热法制备纳米氧化镁薄膜的研究[A];第十三届全国电子显微学会议论文集[C];2004年

3 龙素群;辉永庆;钟志京;;TiO_2薄膜的制备及甲醛的光催化降解[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

4 杨杰;时新红;赵丽滨;;Al-Mylar层合薄膜力学性能试验测试[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年

5 黄文裕;;用快原子轰击质谱法研究Si_3N_4-GaAs薄膜的深度分布[A];中国电子学会生产技术学会理化分析四届年会论文集下册[C];1991年

6 张东波;魏悦广;;薄膜/基体的热失配致界面层裂研究[A];损伤、断裂与微纳米力学进展：损伤、断裂与微纳米力学研讨会论文集[C];2009年

7 张化福;刘汉法;祁康成;;p-SiTFT栅绝缘层用SiN薄膜的制备与研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（1）[C];2007年

8 张素英;范滨;程实平;凌洁华;周诗瑶;王葛亚;施天生;鲍显琴;;用(XRD)和(TEM)研究碲化物薄膜附着牢固度与其显微结构的关系[A];'99十一省（市）光学学术会议论文集[C];1999年

9 郝俊杰;李龙土;徐廷献;;基片种类及梯度烧成对PZT薄膜表面形貌的影响[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

10 吴传贵;刘兴钊;张万里;李言荣;;非制冷红外探测器用BST薄膜的制备与性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年

相关重要报纸文章 前2条

1 ;非PVC医用输液袋共挤薄膜的生产[N];中国包装报;2005年

2 山东 李永强;蚬华C138TA微波炉的信号薄膜排线故障处理[N];电子报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 卢双赞;氧化亚铁薄膜及其吸附的酞菁氧钛分子的STM研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2015年

2 苏玲;碱木质素-PVA基交联薄膜的制备与性能研究[D];东北林业大学;2015年

3 黄立静;金属复合双层/多层透明导电薄膜的制备及其光电性能研究[D];江苏大学;2015年

4 张润兰;多铁性YMnO_3、YFeO_3的结构及磁电性能研究[D];西北工业大学;2015年

5 单麟婷;基于溶胶凝胶法制备SnO_2薄膜光电特性研究[D];东北大学;2014年

6 洪敦华;双钙钛矿LaBaCo_2O_(5+δ)薄膜的制备及其氧敏性质研究[D];电子科技大学;2014年

7 武全萍;纳米α-Fe_2O_3薄膜可控制备与光解水制氢研究[D];天津大学;2015年

8 云宇;Bi_6Fe_(2-x)Co_xTi_3O_(18)外延单晶薄膜的生长和分析表征[D];中国科学技术大学;2016年

9 李妍;二维微纳结构的转移及初步应用[D];东北大学;2015年

10 许志勇;M型钡铁氧体薄膜显微结构与性能的关系研究[D];电子科技大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 张洪瑞;La_(1-x)Sr_xCoO_3外延薄膜反常磁性研究[D];河北大学;2015年

2 刘侃;α-Fe_2O_3薄膜的表面修饰及其光电催化性能研究[D];天津理工大学;2015年

3 李晓婷;入射光和结构色耦合效应对彩色Ti0_2薄膜上客体分子的光富集作用[D];上海师范大学;2015年

4 刘文龙;Bi_(1-x)RE_xFe_(1-y)TM_yO_3/NiFe_2O_4（RE=Sm,Sr;TM=Cr,Mn）薄膜的制备及多铁性研究[D];陕西科技大学;2015年

5 吴晓平;基于层层自组装法制备CNT薄膜及其压阻传感性能研究[D];青岛理工大学;2015年

6 史志天;化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜及电学性能表征[D];北京有色金属研究总院;2015年

7 温占伟;基于CuPc的有机二极管与场效应管薄膜封装技术研究[D];兰州大学;2015年

8 何维;完全醇解型PVA包装薄膜的耐水性研究[D];湖南工业大学;2015年

9 陈德方;PET基透明柔性LaB_6薄膜的制备及其光学性能研究[D];山东大学;2015年

10 朱泯西;激光转移铜锡单IMC薄膜工艺及与铜锡薄膜界面行为[D];哈尔滨工业大学;2015年

，

本文编号：1487422