航空轴承钢M50热变形-冷却组织演化规律研究开题报告

1.1研究背景

随着航空航天事业的飞速发展，对轴承的制造工艺和使用寿命提出了更高的要求^[1]。航天用发动机的使用寿命直接影响飞机的续航能力，而发动机主轴轴承就是决定发动机性能的关键零部件之一。对于新型涡扇发动机主轴轴承，由于其工作环境恶劣，对轴承各方面性能要求都非常高，产品质量必须满足其使用条件下才能保证飞机正常飞行和长时间续航。但我国高端轴承的发展缓慢，无法满足中国高端装备国产化的需求，特别是新研发的高端装备完全采用国外轴承^[2]。M50 钢（我国牌号为8Cr4Mo4V），是一种高碳高合金含量的钼系高速钢，是目前应用最广泛、综合性能优良、合金含量低的一种高速钢类高温轴承钢，其基体为α-Fe，Fe、Cr、Mo 和 V 的复杂碳化物作为增强相存在。M50钢具有红硬性、高温尺寸稳定性以及高温接触疲劳性能，其服役温度能够达到 315℃，这些特性都使得M50成为目前航空发动机上最常用的高温轴承钢^[3-4]。

M50钢加工形成轴承类零件的传统过程一般为多次锻造辗扩成形后经过退火和多次回火等热处理工艺进而达到航空轴承的使用要求。现有对轴承套圈的加工过程中需要多火次加热，随着火次的增加，锻件表面的氧化脱碳层不断加深，锻件晶粒组织粗大，锻件金属流线紊乱、无规律^[5]。由于其高合金含量，M50航空轴承钢淬透性较好，锻后容易形成开裂，再加上其热塑性差，变形抗力大，裂纹敏感性大^[6]，锻造过程中极易产生废品。且M50 钢中包含的强碳化物形成元素 Cr、Mo、V，在冶金过程中易形成粗大的一次碳化物，碳化物成片聚集容易产生脱落引起轴承表面点状缺陷^[7]，而碳化物的分布不均匀容易使锻造后组织产生混晶现象。为减少碳化物数量，原则上要提高热锻温度，但温度提高容易导致晶粒长大和组织过热甚至过烧^[8]。综上所述，热锻工艺对于减少甚至消除M50轴承钢的微裂纹、混晶组织和碳化物分布不均都起着至关重要的作用。通过研究锻造过程中M50组织演化及其规律，运用锻造方式有效破碎原材料粗大的晶粒和碳化物对提高M50轴承钢锻造工艺水平^[9]，解决M50钢成形的棘手问题有莫大意义。

1.2研究现状

到目前为止，轴承钢冶炼工艺控制、离子注入表面改性、电子束表面改性等方法都可以提高M50轴承钢的使用寿命。比如清华大学的金杰等人运用低能大束流离子源对M50轴承钢进行热处理和表面强化处理，哈尔滨工业大学罗甸运用强流脉冲电子束辐照与磁控溅射结合这一新型的高能粒子表面改性手段对M50钢进行表面合金化处理,提高轴承使用寿命^[10-11]。在组织研究方面，其他钢种的研究较多。其中，武汉理工大学的华林教授等人通过热压缩实验和有限元模拟研究了最常用的轴承钢GCr15钢的组织演化过程，并提出了预测其组织演变的本构模型，首钢技术研究院研究了Fe-22.3Mn-0.3C合金在退火过程中的组织和织构演变^[12-13]。武汉理工大学的华林教授、钱东升教授等人通过建立M50NiL钢奥氏体晶粒长大模型，对渗碳过程中的晶粒长大进行预测，并提出了一种优化M50NiL钢渗碳淬火工艺的晶粒长大模型 ^[14]。武汉理工大学王丰等人研究了在冷轧条件作用下M50轴承钢的碳化物溶解和沉淀，并分析冷轧对M50轴承钢摩擦性能的影响^[15]。哈尔滨工业大学刘仁研究了热处理和热变形对 M50 钢中的大块碳化物的形态和分布的影响，同时建立了M50钢的高温本构关系^[16]，而 Sarah E等人运用原子探针层析成像（APT）和透射电子显微镜（TEM）表征M50轴承钢中碳化物析出的微观结构和化学性质，建立其微观结构^[17]。由此可见，大多数有关M50钢的研究都集中在运用表面强化手段提高M50钢的摩擦磨损性能，而对于M50钢组织演化等方面的研究大都停留在M50钢锻后热处理的方向上，对于热处理前的锻造过程的组织演化规律及其对后续性能和热处理工艺的影响的研究尚属空白，通过研究M50钢锻造过程的组织演化规律，在锻造过程破碎M50钢中粗大的晶粒和碳化物组织，使碳化物的组织均匀性提高，从而提升其疲劳性能，成为了这个领域内一个比较大的难题，限制了国内高端轴承的发展。

1.3研究目的及意义

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译；明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备；确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：按照设计方案，完成M50轴承钢热压缩-冷却工艺实验。

第7－10周：完成M50轴承钢热压缩-冷却微观组织测试分析。

第11－14周：总结实验数据，完成并修改毕业论文。

第15周：论文答辩。

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