我國航空發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。

$ ~' a4 v$ K$ n: O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，發動機就不能使用了，它是發動機的中樞。試驗模擬了航空發動機的工作狀況，到目前為止，已經試驗加速等效壽命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，其中關鍵構件會發生疲勞現象，產生裂紋、發生斷裂導致產品失效，是世界工程領域的一大難題。
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商用航空發動機的主軸承位置

我國科研人員經過技術攻關，自主研發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。

北京航空材料研究院研究員 中國工程院院士 趙振業：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。

: U9 Y. H' D, Z% h6 w疲勞、磨損、腐蝕，是世界公認的機械工程制造三大難題。
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# q: z2 q; B, B) |0 C6 a所謂疲勞，是指材料在循環應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。通俗講，好比一根鐵絲，經過反復折彎后，就會發燙，直至斷裂，這就是疲勞所致。

3 j* R& F3 E0 J! m6 @! {* r; \6 \“疲勞”問題的發展，最早可追溯到1830年，雖歷經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、可靠性差和結構重等突出問題。
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2 J: S# n- {- M/ b* r美國從1948年至1970年，舉全國之力，研究發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型。
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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，體現壽命與可靠性，失效釀成災難性后果，疲勞是主要失效模式。

% i0 @. W, O) M軸承被稱為工業的“關節”。第二次世界大戰中，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中的關鍵構件，在直升機、航空發動機、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。

! W+ G* M& k8 R$ d4 a9 w7 p' S1 q二十世紀六十年代，美國把雙真空熔煉技術引入齒輪鋼，解決了傳動系統的關鍵難題，他們制造的航空主軸承壽命長達數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，嚴重制約了航空發動機、直升機等武器裝備和高端機械產品的發展。
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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。因為航空發動機主軸承是最重要、難度最大的關鍵構件，趙振業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。

! e1 \1 t& V: X0 Q在接下來的13年時間里，趙振業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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6 U' h6 @  \! E( X$ w5 M0 Y% m2022年10月24日，從北京航材院又傳來振奮人心的新聞：趙振業院士團隊研發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，機械工程制造業又一個世界紀錄誕生了！

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