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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。