轴承表面PIIID梯度薄膜构建及其强化和疲劳失效机理研究

寻找提高轴承疲劳寿命的新途径并探索该途径下的强化机制及其疲劳失效机理，一直是国内外轴承工作者极为关注的热点课题。本项目采用等离子体浸没离子注入与沉积（PIIID）复合改性新技术，首先在轴承表面构建和优化梯度薄膜，然后测试薄膜试样的滚动接触疲劳寿命，绘制Weibull 曲线，分析表面膜层和改性层的相结构，并以这些为依据来探讨疲劳寿命的影响因素和疲劳寿命得以强化的机制。再以该强化机制和应力场变化及裂纹扩展特征为基础，结合疲劳寿命结果和疲劳试样的原位观察形貌，研究梯度薄膜轴承在循环载荷下的疲劳破坏规律及应力场变化同裂纹萌生、扩展之间的关系，建立接触疲劳破坏物理模型，进而揭示其接触疲劳失效机理。项目首次提出PIIID薄膜轴承的强化和接触疲劳失效机理，以期为PIIID高能束表面复合改性在轴承零件，尤其是高速列车、航空航天和精密仪器仪表等"三高"轴承的疲劳寿命提高方面提供新的技术途径和可靠的理论指导。

项目研究背景：近年来，我国轴承发展水平有了长足进步，但与国外先进轴承行业相比，国内轴承还不能完全满足高性能要求。一般主机需要的通用产品相对过盛，而部分高精度、高质量、高附加值等“三高”轴承仍依赖进口。且由于工作条件的影响，轴承在服役过程中易疲劳失效。因此，提高轴承疲劳寿命并探讨其失效机理，一直是轴承工作者极为关心的热点。然而，通过冶金质量、结构设计、装配方式和润滑条件的改善已很难大幅提高轴承寿命。于是，人们把精力投向轴承的表面改性，尤其是通过PIIID技术来提高其综合性能。鉴于此，本项目旨在通过PIIID技术在轴承钢表面构建和制备功能薄膜，探讨PIIID轴承钢的接触疲劳强化机制，建立其滚动接触疲劳破坏物理模型，揭示其接触疲劳失效机理。以期为进一步提高轴承服役寿命，增强国产 “三高”轴承的国际竞争力，促进PIIID 技术在轴承领域的应用推广提供可靠的科学依据和技术支持。.主要研究内容：在GCr15 轴承钢表面制备了Ti/TiN/DLC和Cr/CrN/DLC等系列功能薄膜，测试了其滚动接触疲劳寿命。分析了膜基界面结合特征和热物理性能，模拟了PIIID薄膜轴承钢在循环载荷条件下的应力场分布规律，建立了接触疲劳破坏物理模型，揭示了PIIID薄膜轴承钢的滚动接触疲劳失效机理。.重要研究成果：①理论成果。建立了PIIID 薄膜轴承在循环载荷作用下的接触疲劳破坏物理模型，揭示了其滚动接触疲劳失效机理；②技术方法。完善了PIIID技术在提高轴承滚动接触疲劳寿命方面的薄膜制备工艺；③专利申请和授权：申请了发明和实用新型专利25件，授权17件；④论文发表。发表了受该项目资助的SCI和EI收录论文31篇；⑤人才培养。培养了博士2 名，硕士2 名。.关键研究数据：PIIID制备TiN薄膜在90%置信区间下，轴承钢滚动接触疲劳寿命和分散程度得到了显著提高，最大L10、L50、La 和平均寿命较未经处理轴承钢分别提高了9.26、4.19、3.55、3.46 倍；疲劳寿命集中系数由1.45（目前国际上平均为1.5 左右）上升到2.1。.研究科学意义：结合PIIID改性轴承钢表面结构、物相组成和性能测试结果，明晰影响PIIID薄膜轴承钢滚动接触疲劳寿命的主要因素，探讨PIIID薄膜轴承钢的滚动接触疲劳强化机制，建立PIIID薄膜轴承钢的滚动接触疲劳破坏物理模型，揭示其滚动接触疲劳失效机理。