軸承表面PIIID梯度薄膜構建及其強化和疲勞失效機理研究

《軸承表面PIIID梯度薄膜構建及其強化和疲勞失效機理研究》是依託昆明理工大學，由劉洪喜擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：軸承表面PIIID梯度薄膜構建及其強化和疲勞失效機理研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：劉洪喜
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

尋找提高軸承疲勞壽命的新途徑並探索該途徑下的強化機制及其疲勞失效機理，一直是國內外軸承工作者極為關注的熱點課題。本項目採用電漿浸沒離子注入與沉積（PIIID）複合改性新技術，首先在軸承表面構建和最佳化梯度薄膜，然後測試薄膜試樣的滾動接觸疲勞壽命，繪製Weibull 曲線，分析表面膜層和改性層的相結構，並以這些為依據來探討疲勞壽命的影響因素和疲勞壽命得以強化的機制。再以該強化機制和應力場變化及裂紋擴展特徵為基礎，結合疲勞壽命結果和疲勞試樣的原位觀察形貌，研究梯度薄膜軸承在循環載荷下的疲勞破壞規律及應力場變化同裂紋萌生、擴展之間的關係，建立接觸疲勞破壞物理模型，進而揭示其接觸疲勞失效機理。項目首次提出PIIID薄膜軸承的強化和接觸疲勞失效機理，以期為PIIID高能束表面複合改性在軸承零件，尤其是高速列車、航空航天和精密儀器儀表等三高軸承的疲勞壽命提高方面提供新的技術途徑和可靠的理論指導。

結題摘要

項目研究背景：近年來，我國軸承發展水平有了長足進步，但與國外先進軸承行業相比，國內軸承還不能完全滿足高性能要求。一般主機需要的通用產品相對過盛，而部分高精度、高質量、高附加值等“三高”軸承仍依賴進口。且由於工作條件的影響，軸承在服役過程中易疲勞失效。因此，提高軸承疲勞壽命並探討其失效機理，一直是軸承工作者極為關心的熱點。然而，通過冶金質量、結構設計、裝配方式和潤滑條件的改善已很難大幅提高軸承壽命。於是，人們把精力投向軸承的表面改性，尤其是通過PIIID技術來提高其綜合性能。鑒於此，本項目旨在通過PIIID技術在軸承鋼表面構建和製備功能薄膜，探討PIIID軸承鋼的接觸疲勞強化機制，建立其滾動接觸疲勞破壞物理模型，揭示其接觸疲勞失效機理。以期為進一步提高軸承服役壽命，增強國產 “三高”軸承的國際競爭力，促進PIIID 技術在軸承領域的套用推廣提供可靠的科學依據和技術支持。 主要研究內容：在GCr15 軸承鋼表面製備了Ti/TiN/DLC和Cr/CrN/DLC等系列功能薄膜，測試了其滾動接觸疲勞壽命。分析了膜基界面結合特徵和熱物理性能，模擬了PIIID薄膜軸承鋼在循環載荷條件下的應力場分布規律，建立了接觸疲勞破壞物理模型，揭示了PIIID薄膜軸承鋼的滾動接觸疲勞失效機理。 重要研究成果：①理論成果。建立了PIIID 薄膜軸承在循環載荷作用下的接觸疲勞破壞物理模型，揭示了其滾動接觸疲勞失效機理；②技術方法。完善了PIIID技術在提高軸承滾動接觸疲勞壽命方面的薄膜製備工藝；③專利申請和授權：申請了發明和實用新型專利25件，授權17件；④論文發表。發表了受該項目資助的SCI和EI收錄論文31篇；⑤人才培養。培養了博士2 名，碩士2 名。 關鍵研究數據：PIIID製備TiN薄膜在90%置信區間下，軸承鋼滾動接觸疲勞壽命和分散程度得到了顯著提高，最大L10、L50、La 和平均壽命較未經處理軸承鋼分別提高了9.26、4.19、3.55、3.46 倍；疲勞壽命集中係數由1.45（目前國際上平均為1.5 左右）上升到2.1。 研究科學意義：結合PIIID改性軸承鋼表面結構、物相組成和性能測試結果，明晰影響PIIID薄膜軸承鋼滾動接觸疲勞壽命的主要因素，探討PIIID薄膜軸承鋼的滾動接觸疲勞強化機制，建立PIIID薄膜軸承鋼的滾動接觸疲勞破壞物理模型，揭示其滾動接觸疲勞失效機理。