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風電齒輪箱軸承白蝕裂紋失效全面

評述:主要因素及試驗研究

[西班牙] Fernando José Lopez-Urunuela等

1 引言

本文評述的失效模式出現在可再生能源領域，尤其是近20年快速發展的風能領域。海上風電是未來低碳發電最具前景的可持續能源，尤其是更多風源可用的遠海區域。與風的類型、空間缺乏或視覺沖擊相關的不同因素正推動風電不斷地向海上發展。與陸地環境相比，海上環境的主要優勢是可用面積的增加可創建大的高容量設備(風場)，并減少視覺沖擊和降低噪聲。2017年歐洲海上風電裝機容量增長3148 MW，為2016年的2倍，比2015年多13%。然而，要接近并在這樣的環境中工作則變得越來越復雜，帶來了新的技術挑戰。風力發電機中失效率最高的是電氣電子系統、傳感器或剎車系統。無論如何，最常引起風力發電機停機的部件是齒輪箱，因為風力發電機停機和更換齒輪箱帶來高額的經濟成本，2011年更換齒輪箱的費用估計高達19萬歐元。70%的齒輪箱失效是因為軸承，48%的失效集中在高速軸軸承，其他為中間軸和低速軸軸承以及齒輪。

風電齒輪箱軸承出現不同的失效模式。根據文獻[5]，齒輪箱軸承出現以下失效模式:裂紋及斷裂、磨損、塑性變形、安裝及潤滑劑失效。本文聚焦的主要失效模式是裂紋及斷裂，尤其是過載斷裂。在文獻[5]中認定白蝕裂紋(WEC)為過載斷裂的一種形式，可由過載拉應力產生。根據科技文獻，WEC不屬于迄今所知的任何摩擦接觸失效模式。Ruellan在其文章中論述了滾動軸承所經受的2種主要失效：磨損、滾動接觸疲勞(RCF)。磨損是指在低中次數的疲勞循環后產生材料的剝落，同時形成碎屑；RCF在長期疲勞循環后非常明顯且常與材料的表面及次表面開裂有關。在Manieri等的一篇討論WEC起源的長且詳盡的文章中給出了WEC的最新形成機制，其與眾所周知的磨損及RCF略有不同。該形成模型基于軸承滾子與滾道間的早期高邊緣應力，可概括為以下4點：1)早期階段的高邊緣應力導致裂紋萌生；2)在一定次數的疲勞循環后由于磨損及邊緣的變形改善了接觸狀態，邊緣應力明顯減小；3)裂紋生長速率隨應力的減小而減緩，使裂紋面的摩擦發生相對長的時間(見3.1節)，進而導致裂紋周圍的顯微組織變化，稱之為白蝕區(WEA)；4)最后發生表面剝落，導致軸承失效。這一形成機制如圖1所示。在分析了不同文獻對WEC形成機制的建議后，發現早期階段的過載對WEC的產生似乎是必要的。在文獻[7]中，過載歸之于邊緣應力；在文獻[5]中，WEC標記為過載斷裂，由過載拉應力引起。另一方面，Ruellan等對比了WEC與RCF，并指出:在WEC的情況下，變化的材料區域因臨時過載期間的最大次表面應力作用而超出最大Hertz應力區,進而可在較長的過載期間向更深處發展,以這種方式產生裂紋并由于次表面應力的減小而緩慢生長。有關WEC起源及擴展模式的詳細總結見Evans撰寫的綜述,其將起源模式分為表面及次表面起源模式。

圖1 文獻[7]提出的WEC應力形成模型示意圖

關于WEC的形成機制,不同研究者之間并未達成一致意見,這種現象的顯微組織表征似乎也不清晰。WEC被定義為一組由變化的顯微組織圍繞的裂紋網(圖2),當受影響的區域用2%硝酸酒精溶液腐蝕后可揭示出WEA的形貌。根據文獻,WEA以2種形式存在:由納米晶及非晶相組成的轉變WEA;主要由納米晶組成的變形WEA。WEA為納米晶鐵素體結構,硬度比基體高10%～50%,硬度增加是由于晶粒尺寸減小,非常細小的滲碳體顆粒的彌散分布以及塑性變形,這些均為鋼的強化機制。次表面裂紋最終與表面連接,產生缺痕并導致所謂的白色組織剝落(WSF)。裂紋萌生及擴展的深度大致位于最大切應力區。

圖2 在瞬變工況下試驗的試樣上平行于接觸面的次表面裂紋萌生及WEC的形成,示意地再現了滾動軸承中WEC的形成

自20世紀90年代以來,WEC一直是摩擦學、潤滑劑及軸承制造團體討論的話題。因為風電的發展及其與這種失效模式的關系,WEC的研究一直在顯著增加。所有與WEC相關的研究的主要目的過去是且現在仍是了解其萌生及擴展的機制,確定促進這種現象形成的因素并開發減輕這種失效模式的解決方案,諸如涂層、新的潤滑劑或新的鋼材質量。在WEC形成過程中可能的驅動或加速因素中,以下因素較為突出:1)潤滑劑及其添加劑;2)非金屬夾雜物(NMI);3)瞬變工況;4)其他驅動因素,如電流通過、軸變形或高溫。數名作者研究了潤滑劑及其添加劑對軸承摩擦接觸中原子氫存在的影響以及異質摩擦膜的形成有時可增加表面拖動力這樣的現象。作為鋼基體缺陷的NMI有利于應力集中并促進裂紋萌生,無數研究聚焦于表征與次表面裂紋形成密切相關的夾雜物。毫無疑問,一種研究最多的因素是滾動體與滾道接觸區中發生的劇烈滑動的影響,劇烈滑動主要由風力發電機中發生的瞬變工況引起。殘存電流的通過是許多研究者研究的另一種驅動因素,因為齒輪箱后面發電機的存在,有可能發生放電,影響軸承的正常運行。其他驅動因素是軸承運行中產生的軸變形及高溫。

本文目的是對過去幾年里WEC的研究進行概述,除對與WEC現象相關的主要概念進行一般性的綜述外,還將對該領域開展進一步研究的計劃及實施提供幫助。為此,本文分為:第2章表述以前研究中所用的形成WEC的方法；第3章給出疲勞過程中出現的不同顯微組織變化；第4章是本文的核心,也是內容最多的一章,因而分成幾節,每節討論一種促進WEC形成的因素；第5章論述聚焦于WEC研究所用的主要試驗程序；第6章是關于熱處理及涂層(黑色氧化及類金剛石碳)對WSF產生或防止的影響；第7章給出主要結論及應進一步開展的工作。

2 WEC起源模式

在討論該話題前，應注意WEC起源模式取決于過程中涉及的因素。在文獻報道的及在實驗室為產生WEC所進行的試驗中，測試了不同的驅動因素(氫、電流通過、粗的表面粗糙度等),這些因素決定了裂紋的起源模式以及構成WEC的顯微組織變化。因此,為了解風電軸承中與WEC相關的失效原因,有必要精確選擇實際應用中這些失效起源過程所牽涉的驅動因素。Ruellan等指出在預充氫和非充氫試樣中WEC的起源存在主要差別。對于第1種情況,已證實WEC容易形成且很可能發生于次表面的最大切應力區。由于氫脆,裂紋起源于材料的最弱處。根據2種主要假設,氫有利于:1)夾雜物與基體分離;2)缺陷周圍的局部塑性變形。對于非充氫試樣,WEC的形成花費更長的時間(即更多的疲勞循環次數),且不會發生在最大切應力深度處,而是接觸區的邊緣。在Evan的WEC綜述中強調了鋼種及疲勞過程對WEC起源模式的影響。

WEC起源可劃分為表面或次表面過程。表面起源似乎是特例,因為其在以下驅動因素影響下發生,諸如暴露于表面的NMI、機加工缺陷、引起電蝕的放電而產生的微蝕坑。文獻[8]描述了2種表面起源的情況:1)由導致表面微裂紋的切應力而產生的起源;2)受作用在表面特殊區域的周向拉應力影響而產生的起源,當套圈與存在形狀偏差的軸配合時會產生這類應力,套圈發生變形導致出現承受高周向應力的區域。在這2種情況下很可能受氫的影響。產生新鮮表面后,氫會發生反應并擴散到鋼中,從而有利于裂紋的生長(見4.1節)。

基于近年來的研究結果,次表面起源理論更受關注,包括所進行的實驗室規模研究以及對工作一段時間后失效的風電軸承所進行的分析。在這種情況下已確定鋼的缺陷(NMI、空洞、微裂紋)為主要的失效起源點,這些缺陷充當應力集中部位,因缺陷邊緣產生高于該深度處計算出的應力峰值。鋼基體中存在這些缺陷時還應考慮Tresca切應力τ45的影響,τ45在次表面區域達到最大值。有關NMI對WEC產生的影響的詳細研究見3.1節。

文獻[30]提出一個有趣的次表面起源模型,其基于氫和Hertz應力的影響(在鋼的次表面存在明顯的NMI)。根據圖3,該模型提出:在次表面的某個區域,一個最大的氫擴散區與最大Hertz應力區重疊,其有利于次表面裂紋的形成。該研究指出:滾動體與滾道間接觸區尺寸顯著影響氫擴散,接觸區越大,接觸區外的自由表面越小,越有利于鋼基體中氫的高度集中。

圖3 文獻[30]提出的WEC起源模式示意圖。氫擴散區與高切應力區重疊有利于次表面裂紋的形成

廣泛討論的與次表面起源模式有關的概念是WEC形成與裂紋的先后順序。一些研究認為由于顯微組織的變化,次表面中先于裂紋形成WEA;而大多數認為發生的次序相反,由于以上所論的某些現象而使裂紋先產生,隨后因切應力的作用使裂紋面發生摩擦而產生WEA。本節提到的概念將在3.1節深入討論。

概括起來,有2種WEC起源模式:表面及次表面,起源模式取決于每種情形中的驅動因素。與表面變化(粗的表面粗糙度、不良機加工、電蝕……)相關的那些驅動因素有利于表面起源,有利于次表面起源的驅動因素是總在軸承摩擦接觸區或多或少存在的那些因素(NMI、氫、高切應力等)。

3 顯微組織變化

3.1 WEA

由于對這一主題開展了大量研究,近年來對WEA的起源及形成的了解似乎已向前邁出了一步,但就這一現象而言還未達成一致的結論。WEA被描述為體心立方納米鐵素體結構,固溶體有過飽和的碳。詳細的顯微組織研究進一步揭示:WEA中無大的碳化物析出,含有尺寸為10～100 nm的不均勻晶粒。顯微組織變化區中已發現非晶相與納米晶結構共存,在這些區域可見完全無序的晶體網。

有趣的是注意到WEC形成機制的獨立性,在所有科技文獻中一種鋼(本綜述聚焦于常用軸承材料SAE 52100)的WEA結構特征相同。WEA形成機制可分為2組:(A)先出現裂紋,而后裂紋面摩擦導致顯微組織變化;(B)先產生WEA,而后在該區域內產生裂紋。一些研究報道了這一顯微組織變化區的性能或特征略有變動(本節后文提到的例外),但一般絕大多數研究贊同以上給出的定義。

由裂紋面摩擦形成WEA的機制A得到多個研究的證實。文獻[47]和[51]指出:滾/滑接觸過程中,預先存在的裂紋面相互摩擦撞擊,產生非常細小的晶粒,WEA被認為是由于實際損傷(裂紋、脫開的夾雜物或空洞)而產生的結果。文獻[47]提出:為在裂紋周圍形成白蝕物(WEM),有2種參數最為重要。首先,裂紋相對于滾動方向的取向及次表面切應力的深度將決定裂紋的哪一部分在外加壓力下張開,哪一部分收縮、摩擦并產生硬的WEM;其次,與回火馬氏體中的裂紋相比,被殘余奧氏體(在RCF下應變轉變為未回火馬氏體)環繞的裂紋似乎產生較少的WEM,原因是缺少碳化物。

有爭議的是裂紋面摩擦可否提供足以產生納米晶結構及非晶相所需的能量。根據Yuri Kadin的研究,非晶化過程在能量上是可行的,在該研究中假設WEA形成前就存在裂紋,其給出了通過模擬Ⅱ型裂紋中由循環剪切和壓縮引起的裂紋面上的摩擦相互作用而進行的WEA形成的理論研究。裂紋面摩擦所耗散的能量部分轉化為熱量,部分轉化為顯微組織變化(對應的是非常大的位錯密度積累),這一過程強化了非晶化過程。

文獻[11]發現與WEC形成相關的NMI的共同之處。NMI是:1)類型及尺寸一致;2)夾雜物-WEC相互作用的深度處于或接近最大次表面切應力區;3)WEC網中裂紋的擴展方向與夾雜物的定位有一定相似性。因此提出:NMI與WEC現象密切相關,就如其他研究所觀察到的那樣。

眾所周知,滑動接觸有利于WEA的形成。已證明在最大滑動能集中的區域發生較高密度的顯微組織變化。在負滑動區,WEA顯著增加,因為作用在裂紋上的合力傾向于避免裂紋張開,有利于裂紋面的摩擦,因而有利于WEA的形成。

試驗應力循環積累產生的WEA體積支持WEA形成機制A。文獻[38]指出:WEA體積隨循環次數增加而增大,試樣經受的載荷循環越長,裂紋生長得越多,產生新的裂紋面,因而導致更多的顯微組織變化區。根據文獻[11],WEA密度的增加存在非線性。在4～18 h的試驗期間,12～18 h內WEA密度快速增加。

最近的大量研究證實了WEA形成機制B,即一旦形成顯微組織變化區就可能產生裂紋。普遍認為:與附加載荷(諸如局部高溫或原子氫的存在)疊加的局部高機械應力是WEA形成的根本原因。文獻[41]發現:在WEA形成的初始階段,形成了針狀結構,其內存在塑性變形的球狀碳化物,這些碳化物由位錯胞結構及細粒狀結構組成,通過馬氏體的剪切變形形成;該文獻進一步指出:在馬氏體/殘余奧氏體、馬氏體/球狀碳化物間的界面上形成空洞。

文獻[54]描述了WEA內碳化物的退變,這一現象本質上是由于碳化物析出物的變形及溶解。該研究支持這樣的假設:WEC過程通過結構畸變的持續積累而起始于無失效期,因此WEC既與鋼中NMI無關,也與其他雜質無關。某些工況條件(如存在滑動或瞬態電流)可能有利于負面熱效應發揮作用,導致高缺陷區的塑性變形,塑性變形的積累觸發滲碳體周圍的畸變,畸變又導致擴散過程帶來的碳過飽和及碳化物的塑性變形。最后通過減小顯微組織的尺寸,完全變化的區域將釋放積累的能量,形成WEC。

在文獻[38]所進行的研究中提出了反對WEA形成機制A的2個事實。首先,欲將晶粒細化到納米級別,需要足夠的能量產生位錯簇,且需要額外的能量溶解大量的碳化物;其次,摩擦裂紋面可能不足以產生形成WEA所需的能量,因為部分能量以形成磨屑的形式耗散掉。該研究進一步指出:WEA主要由非晶相組成,其內嵌有納米晶體,而不是以前研究所提出的納米鐵素體結構。這些作者將WEA分為變形及轉變WEA;關于構成,變形WEA主要由BCC納米鐵素體組成,而轉變WEA涉及剪切驅動的非晶化且由非晶相及納米晶體組成。根據文獻[55],在大的塑性變形下非晶相的形成是剪切驅動固態非晶化過程;通過缺陷(如空洞、晶界、位錯)的積累,晶粒被細化到納米尺度。當晶粒細化到臨界尺寸(3 nm或5 nm)時,晶體突然轉變為非晶相。

在文獻[38]之后,文獻[48]強調:在WEA中存在高含量的奧氏體;根據文獻[48]的研究結果,轉變及非晶化似乎發生在顯微組織變化區(WEA)。WEA中的奧氏體含量高于原始鋼基體(從2%～3%至30%)表明:發生了馬氏體向奧氏體的轉變,其受變形誘發機制控制。根據文獻[48],文獻[57-58]所支持的熱誘發相變可排除在外。當晶體相儲存的能量超過非晶相時就會發生非晶化。在劇烈塑性變形的情況下,非晶化受變形驅動機制控制;大的塑性變形在晶體結構材料中產生空洞、位錯及晶界;晶界的面積百分比越高,系統中可用的自由能越多。

但也有例外,WEA并不完全符合以上給出的解釋,并非在所有研究中均觀測到文獻[48]所提及的WEA中奧氏體增加。文獻[41]發現:與原始基體相比,WEA中奧氏體減少。相似地,也并非所有研究中都存在相同的非晶相。一些作者提到:存在的非晶相不同于在文獻[60]中發現的。然而,文獻[41]和[60]證實:裂紋的形成發生于非晶相與納米晶體相之間;因而,WEA顯微組織取決于影響顯微組織變化區形成的外部因素。大部分論述WEA的文獻提出以下2個方面作為WEA形成的最重要因素:

1)環境中存在氫。氫有利于WEA形成并影響其發展。根據文獻[44],氫在鋼中的作用之一是增強RCF期間的局部塑性,其基于氫存在時位錯移動性增加的事實。假如由于滑移的局部化,在障礙物處(如碳化物)位錯密度達到臨界值,其就會與增加的應力集中疊加,碳化物的溶解就會發生。文獻[64]提出:軸承鋼中的氫可減小裂紋面間的滑動摩擦因數,因為吸附在裂紋面上的氫原子減小表面能及附著力。摩擦因數的減小意味著耗散能的增加,因而也就是裂紋接觸面間的滑動增加,這就導致達到晶粒細化所需能量時的應力循環次數減少,因而WEA形成會更早出現。

2)鋼基體的原始顯微組織。原始顯微組織不同,WEA將具有不同的力學性能,這點很明顯,因為在這些顯微組織變化區中形成的相組分與普通馬氏體軸承鋼并不相同。文獻[65]研究了由在穩定的奧氏體基體中細板條貝氏體鐵素體組成的納米貝氏體鋼。在進行RCF試驗后,采用先進的表征工具分析了WEM形成期間碳的再分配,發現:無碳化物納米貝氏體中的白蝕蝴蝶翼與無碳化物貝氏體鋼軌中的WEC分別比周圍基體軟約10%及48%。蝴蝶WEM硬度下降較少歸之于其碳的損耗,而鋼軌WEM硬度下降較多是由于該區域內存在細的殘余奧氏體晶粒以及碳的損耗。與之相反,對于淬回火馬氏體鋼,RCF導致滲碳體的溶解,產生比原始基體硬的WEM。

因而,大多數的研究報道:WEA的產生是由于裂紋面的摩擦,這意味著將顯微組織變化的形成理解為一種次表面失效模式(微裂紋形成)的結果,而不是失效本身。另外,也指出:WEA形成過程中涉及的驅動因素不同將產生具有不同性能及形貌的顯微組織變化。

3.2 與WEC不同及相近的顯微組織變化:DER,WEB及蝴蝶組織

有一些與WEC類似的特殊顯微組織變化,因而在分析鑒別機械零件發生了哪種現象時會引起混淆,尤其是對滾動接觸中誘發的那些顯微組織變化,如暗蝕區(DER)、白蝕帶(WEB)及蝴蝶組織。DER及WEB組織變化是材料經受高次應力循環后在其次表面產生,因此不會引起早期失效。然而,蝴蝶組織由夾雜物和WEA構成(圖4),因而認為其是應力集中點,該處有可能萌生裂紋。蝴蝶組織與WEC的形成及擴展密切相關。4.2節將深入討論NMI對WEC形成的影響;為了有利于將每種顯微組織變化合適分類,下面將全面討論這些概念。

圖4 蝴蝶組織特征

3.2.1 DER

當材料在RCF狀態下經受中-高次應力循環時,在最大Hertz切應力區將發生顯微組織變化,典型的深度為接觸面下1 mm。這些變形區域被稱為DER是因為經硝酸溶液腐蝕后在光學顯微鏡(LOM)下觀察時其呈暗色。循環次數的增加意味著DER的尺寸更大。回火馬氏體中積累的塑性變形越大,這些區域就越暗。DER是WEB形成前首先發生的組織變化,由一些與軸承滾道面無任何特殊取向的暗色微帶組成,且因碳向由微塑性應變產生的位錯區遷移而將其表征為回火馬氏體。因此,這種塑性變形導致材料軟化(與基體組織相比)。

3.2.2 WEB

在預先存在的顯微組織變化中,DER相同深度處(最大切應力區)產生WEB,其出現于DER之后,因而在經受非常高的應力循環次數或重載RCF狀態下產生。可發現2種WEB(圖5)。與表面呈低角度(30°)存在的WEB稱之為平白帶(FWB)或低角度帶(LAB)。根據一些研究,FWB會進一步發展為更厚且更長的陡白帶(SWB)。LAB可用LOM觀測到,因為其細的結構呈現出高耐蝕性。LAB較薄(0.1 μm)且相對較長(1～2μm),其顯微組織由被誘發片狀碳化物的形成而規則分開的低碳微細鐵素體相組成,比基體軟。重要的一點是需將其與碳飽和的硬WEA區分開來。

圖5 RCF試驗后滾子的周向截面(2%硝酸溶液腐蝕)。接觸面下明顯形成了DER及WEB,出現了2種WEB:LAB(先出現)及HAB

第2種WEB在FWB出現的區域稍后形成,與軸承滾道面呈70°～80°,如圖4所示,且稱之為高角度帶(HAB)或SWB。HAB比LAB厚(15 μm)。

以前提到有2種看似WEC的不同缺陷,但事實上其與WEC完全不同。

3.2.3 蝴蝶組織

鋼中起源于NMI的蝴蝶組織是三維組織變化,其名字是因為在LOM下觀察時與蝴蝶相似,呈現為WEA蝴蝶翼及NMI本體,如圖4所示。

由于切應力循環,在夾雜物周圍產生高應力集中,導致材料基體與夾雜物間的界面分離或裂紋萌生。因為基體與夾雜物的熱膨脹系數、形狀或彈性模量的顯著差異,切應力促使界面分離并在材料缺陷處萌生裂紋。

夾雜物周圍產生拉壓應力,拉應力導致裂紋萌生(Ⅰ型載荷,依據裂紋位移模式理論),切應力將有利于裂紋擴展(Ⅱ型載荷)。例如MnS夾雜物比鋼基體軟,當鋼材在高溫下軋制時,這些夾雜物呈長條狀,引起各向異性,因此材料在各方向的響應并不相同。

蝴蝶組織在RCF早期階段出現在距軸承滾道面0.05～1.5 mm深度處;但隨著進一步的RCF循環,若該深度范圍內無夾雜物時,蝴蝶組織可在較深處出現。由于最大切應力作用在與滾道面呈±45°的方向上,所以典型的蝴蝶翼擴展角為相對于滾道面呈30°～50°。

形成蝴蝶組織的主要夾雜物為硫化物、氧化物(Al2O3)或二者形成的兩相夾雜物,其來自于材料的制造過程,在每種軸承合金鋼中的量不同。由于煉鋼過程最佳化的高成本,要避免夾雜物的出現實屬不易。

蝴蝶組織中WEA的形成機制還未充分了解,但文獻中提出了2種機制:一種是先形成裂紋,然后裂紋面摩擦形成WEA;另一種是由于切應力循環誘發的局部塑性變形而產生WEA,之后形成裂紋。

因為蝴蝶組織三維發展,要了解和分析這種缺陷需要不同截面的分析。事實上,僅在一個截面上分析蝴蝶組織可能會將其判別為WEC的形成。因此,重要的是要區分WEC的形成(裂紋和WEA)與蝴蝶翼(總與NMI有關)的差異。另外,也要將2種蝴蝶組織加以區分:一種是不會顯著擴展而引起失效;另一種是在材料中擴展形成裂紋并以形成WEC而結束。

4 WEC驅動因素

本節收集了文獻中提出的WEC形成的主驅動因素,根據其來源或特征可分為3組。第1組對應的是與潤滑有關的因素,如潤滑劑中的氫及添加劑;第2組指材料,尤其是鋼中的NMI;第3組指與工況或外部因素有關的驅動因素,如殘余電流、瞬變工況、滑動接觸、高溫或軸承與軸的不良配合。

4.1 氫

4.1.1 鋼的氫脆

過去這些年里,氫被認為是WEC形成的主驅動因素。根據最新的研究,有關氫在WEC形成中的作用的理念似乎也在變化。氫不再被認為是WEC形成的主驅動因素,而是過程加速因素。為了再現WEC失效,不一定要人為預充氫,文獻[11]和[22-23],[26],[75]已證實:不采用預充氫試樣也可產生WEA。無論如何,應注意:不對試樣進行人為預充氫并不意味著氫沒有機會擴散到材料中,因為眾所周知在特殊工況下某些潤滑劑會降解并產生原子氫。

仍有爭議的是氫脆加速WEC形成的模式,在解釋氫對鋼的力學性能的危害時主要有3種理論:氫增強脫粘(HEDE);氫增強局部塑性(HELP);氫增強應變誘發空洞(HESIV)。然而,根據一些研究,WEC的形成并未遵循這些模式的任何一種,氫脆無法充分解釋氫在軸承鋼中的作用,取而代之的是氫的作用似乎是這些模式的組合。一般的解釋是鋼中的氫有利于裂紋尖端的局部塑性,進而增強滑移變形,并因此降低裂紋生長及擴展的I/II型應力門檻值。

因為氫是雙原子分子氣體,太大而不能進入鋼,需分解為2個原子。氫擴散的驅動因素是由晶格中的氫濃度差、電場、應力場、溫度梯度產生的化學勢能梯度,氫從化學勢能最高的區域向最低的區域擴散,直至2個區域的化學勢能相等為止。擴散流量與氫濃度梯度和擴散系數的積成正比。

氫原子可殘留在鋼晶格網的間隙中。無論如何,有一些部位比間隙更有利于氫的積累。這些部位就是材料缺陷,一般稱之為阱。材料中存在的阱越多,鋼中的氫溶解度越大。一旦氫進入鋼,其能以2種形式存在:可移動(可擴散)的氫及不可移動(非擴散)的氫。可移動的氫指保持移動性的氫,是被捕獲在弱可逆阱中的氫;相反,不可移動的氫指被捕獲在不可逆阱中的氫。Pressouyre將阱分為:物理阱、吸引阱或混合阱。吸引阱是原子被力作用的晶格區域,這些力包括電力、溫度梯度產生的力、與應力場有關的力;物理阱是晶格缺陷,諸如晶界、夾雜物與基體間的非共格界面或空洞;大多數的阱應稱為混合阱,因為所有缺陷(空洞、夾雜物、位錯等)會以某種方式誘發電場或應力場。每個阱有不同的稱呼,取決于阱的吸引特性。一個好的混合阱的例子是邊界位錯。

4.1.2 潤滑劑及氫對WEC形成的影響

擴散到鋼中的氫可能來自于制造過程,也可能來自于運行或試驗期間存在的潤滑劑和水。來自于制造過程的氫被認為是不可移動的氫,因此與擴散氫相比其是無害的。科學界對試驗期間氫的來源似乎已達成共識。已觀察到:存在新鮮金屬表面(非鈍化表面)時潤滑劑會發生摩擦化學反應,釋放氫。文獻[76]指出:通過與新鮮金屬表面的觸媒反應,潤滑劑發生分解并產生氫。新鮮金屬表面具有化學活性并對有機物產生觸媒效應,因此加速了有機物的分解反應,并發生脫氫。每種潤滑劑產生的氫量取決于其潤滑性,而不是其化學結構;也已證實:誘發更大磨損的潤滑劑意味著擴散到鋼中的氫更多。文獻[23]指出:試驗期間潤滑劑會發生氧化反應,產生諸如羧酸、乙醚、酯類的產物,羧酸與新鮮金屬表面發生化學反應形成鐵的羧酸鹽及氫。

在聚焦于WEC形成及擴展的研究中,可區分為強制氫擴散機制(在摩擦試驗前人為預充氫)與試驗期間擴散機制。關于進行氫強制擴散的試驗,結果顯示:預充氫量越多,產生WEC所需的循環次數越少;然而,在未人工預充氫的研究中,在試驗期間發生來自于潤滑劑的氫向鋼中擴散是由于幾種化學及力學現象的作用。當試圖了解齒輪箱軸承中所發生的一切時,這些試驗似乎更有趣。擴散機制受幾種現象影響,如潤滑劑的添加劑、摩擦膜的形成(與添加劑有關)、潤滑狀態或滑動接觸。最感興趣的是影響氫擴散的所有因素均與WEC的形成密切相關。另外,值得注意的是:深入了解單個驅動因素及其綜合作用是解決軸承WEC問題的關鍵。

文獻[75]選擇2種油在銷-盤(PoD)摩擦試驗機上進行試驗來研究WEC的形成。其中一種油是阻止氫釋放的PAO基高性能齒輪箱油(低產氫),另外一種油(稱之為RTH油)是高產氫油。試驗結果表明:RTH油釋放的氫更多。換句話說,在相同工況下其比PAO油更能促進WEC的形成。類似地,Dominik Kürten等進行的研究中使用了3種油(齒輪箱油、MAC流體、PFPE),在試驗后測量了每種試樣的氫含量,結果顯示:在相同工況下,測得的氫含量變化很大。齒輪箱油、MAC流體及PFPE試樣分別呈現出最高的氫含量,試樣中氫含量最高的齒輪箱油是唯一產生WEC的油。因此,潤滑劑是疲勞試驗期間的氫源,其加速了WEC的形成。氫向鋼中擴散的難易程度不同,其不利作用或大或小。

難以區分潤滑劑和氫對WEC形成的影響。因為潤滑劑或其中的水是主要氫源,在同一節中研究這種現象比較有趣。在滑動接觸的鋼中氫的擴散機制受以下因素影響:潤滑劑中的添加劑、摩擦膜的形成、潤滑狀態以及摩擦面間產生的摩擦能。

潤滑劑的添加劑似乎對氫的擴散起著關鍵作用。采用FAG-FE8試驗機進行試驗的文獻[21]指出:添加劑(OBCaSul)含量與擴散到試樣中的氫量有關;潤滑劑中OBCaSul含量越高,擴散到材料中的氫量就越多,發現WEC形成的數量越多。文獻[24-25]指出:磺酸鈣去污劑阻止摩擦膜的形成,促進異質ZDDP摩擦膜的形成,有利于暴露出新鮮金屬表面,通過摩擦化學反應產生氫并擴散到鋼中。數個研究指出:這2種添加劑的協同作用在某種程度上有利于氫的擴散,因而就利于WEC的形成。至今還不清楚這些添加劑的單獨影響和綜合作用。Tanaka等進行的研究指出:ZDDP添加劑可有效防止氫滲入次表面;相反,文獻[84]在同年(2017年)進行的研究則認為:ZDDP添加劑的存在促進氫向鋼中擴散,因為其分解產物對阻止原子氫重新組合為氫氣具有不利作用,進而導致金屬表面的原子氫含量增加。Gould等進行的研究似乎對所討論的問題有所啟迪,該研究的目的是區分以前研究中所用的稱之為低標油的油中存在的每種添加劑的影響。進行了一系列試驗,每種潤滑劑采用其中一種添加劑調配,試驗在微剝落試驗機(MPR)上進行,也使用了小型拖動試驗機半原位研究摩擦膜特征,研究結果如圖6所示。考慮到這些結果及所表達的內容,可認為:添加劑含量越高,則水含量越高。與此不同,文獻[33]和[87]進行的另外研究指出:較高的含水量是WEC形成的關鍵因素,且在這種情況下含水量與早期WEC的形成沒有任何關系。應注意:潤滑劑(僅含ZDDP)未顯示出高含水量這一事實并不意味著不會產生氫且因此促進WEC的形成。例如文獻[21]對在僅含ZDDP(無OBCaSul)的潤滑劑潤滑條件下試驗后的試樣進行熱脫吸分析,發現其氫含量高于未試驗試樣。

圖6 (a)文獻[20]所試驗的每種油失效前的應力循環次數;(b)每種油配方中的含水量

有關在某些添加劑影響下促進氫擴散的另一個假設存在于摩擦膜的形成。文獻[18-19]在帶有隔層成像儀的小型拖動試驗機(MTM-SLIM)上進行試驗顯示:使用所謂的WEC危險油,產生厚的摩擦膜,帶來高的摩擦因數;文獻[20]支持這一假設,即某些引起高摩擦因數的摩擦膜有利于WEC的形成。建立了高摩擦、氫擴散與WEC形成間的某種關系,這是因為迄今為止所進行的試驗顯示:含金屬添加劑的潤滑劑具有高的含水量,且采用這些潤滑劑試驗后的試樣顯示出高的氫含量。根據文獻[20]可廢除這種關系。如上所述,對采用僅含ZDDP的潤滑劑試驗后的試樣進行氫含量測試有助于證實摩擦-氫-WEC關系或提出另一個直接將摩擦與WEC聯系起來的新關系。

某些研究強調了促進氫擴散并間接促進WEC產生所需的摩擦能。最近的研究發現:行星軸承在非承載期間經受顯著的滑動,因此使用純滑動條件再現風電齒輪箱中發生的實際接觸狀態。文獻[76],[84],[91]所使用的方法證實:純滑動接觸區中潤滑劑/添加劑的分解及水污染促進氫向新鮮軸承鋼表面擴散。文獻[75]顯示:在低產氫、低載荷頻率及純滑動狀態下產生WEA;該研究結果證實:在純滑動狀態下,增加產氫或載荷頻率,WEA在更早階段形成。文獻[76],[30],[92]將與滑動有關的機制及所涉及的力與摩擦能積累的概念聯系起來(見4.4節),建立了摩擦能積累、吸氫及WEC形成的關系。

因而,根據文獻可知,似乎軸承的純滑動或高滑動百分比工況有利于在滾子或套圈的某些區域形成WEC。并未充分了解為什么有些研究發現滾動體的失效比率較高,而在另一些研究中套圈的失效比率較高。這可用2種零件用鋼的潔凈度不同來解釋,因為潔凈度越低,夾雜物的數量越多,因而捕獲氫的概率越高,應力集中部位越多。同時,潤滑劑及氫對WEC的加速作用似乎是清楚的。為了了解不同驅動因素之間的聯系,有必要進行研究,將添加劑(如ZDDP或CaS)與試驗后的試樣中被捕獲的氫量及WEC的形成聯系起來。

4.2 非金屬夾雜物(NMI)

最近的研究認同:煉鋼過程的副產品NMI是裂紋萌生的主要部位之一,因而也是WEC的主驅動因素之一。另外,因為其不均勻地分布在整個材料基體中,也促進了裂紋擴展。裂紋通過擴展阻力最小的區域擴展;裂紋起源模式由I型斷裂模式主導,而擴展階段受II 及III型斷裂模式主導。根據迄今最受支持的理論,裂紋起源于缺陷處(夾雜物或空洞),然后生長,并由于裂紋面的摩擦形成WEC。

使用鋼的潔凈度概念來表示單位體積內夾雜物的數量。根據文獻[11],鋼的潔凈度可能是決定是否形成次表面裂紋的關鍵因素。該研究中用FAG-FE8試驗機試驗了推力圓柱滾子軸承。結果表明:僅在滾子上形成了WEC,而未在套圈上觀察到任何次表面缺陷,這一現象部分歸之于套圈用鋼的潔凈度較高。不僅不同等級的鋼之間而且同一等級的鋼中單位體積內夾雜物的數量可能不同。Gould等研究了使用現場的軸承與臺架試驗試樣(2種均由AISI 52100鋼制成)的顯微組織差別,聚焦于兩者用鋼中所含的夾雜物特征。現場軸承中發現單位體積內夾雜物的數量為520,而臺架試驗試樣的為129。

WEC的形成不僅受夾雜物數量的影響,還受其尺寸及形態的影響。大量研究指出夾雜物越小,越不利于裂紋的形成。文獻[11]和[26]認為這樣的夾雜物是球形氧化物、硫化物及兩者的復合物(尺寸2～15 μm);文獻[12]和[27]發現:次表面失效起源的主要夾雜物是平均尺寸為20 μm的硫化錳(MnS)。與之相反,文獻[95]認為氧化物及雙相夾雜物(氧化物+硫化物)比硫化錳危害更大的原因可解釋為:雙相夾雜物由一個軟的相(硫化物)和一個硬的相(氧化物)組成,其熱膨脹系數不同,因而在該夾雜物周圍形成拉壓應力。根據文獻[28],即使兩者均由相同等級的軸承鋼(AISI 52100)制造,在現場軸承鋼中發現的夾雜物大于實驗室試樣的夾雜物,許多這樣的大夾雜物是實驗室試樣中未見到的雙相夾雜物。最新的科技文獻指出:風電軸承中雙相夾雜物很常見,其似乎危害最大。在這種鋼中發現了硫化物及氧化物,但其似乎對WEC失效起源的影響不同。關于這點,值得注意的是Evans等對瞬變試驗齒輪箱軸承及服役的行星軸承進行了詳盡的分析。通過系列切片研究了4例WEC的形成,發現:在所有夾雜物中顯示出與WEC相互作用強烈的夾雜物是硫化物及雙相夾雜物(硫化物+氧化物)。相反,實驗室試樣中小尺寸的硫化物占主導,也存在較少的雙相夾雜物及氧化物。

與WEC形成直接相關的夾雜物處于接觸面下100～300 μm的深度范圍內,該值對應于最大切應力所處的深度。除其他參數外,最大切應力深度取決于表面拖動力。根據文獻[42],當存在表面拖動力時,最大切應力位置向表面偏移。

關于夾雜物及顯微組織變化區形成方面,近幾年研究最多的現象是軸承鋼中脫粘夾雜物的不利作用。夾雜物與基體間的不良相互作用導致結合界面分離,成為應力集中部位,在該部位擴散的氫保持在被捕獲狀態并充當裂紋起源者。界面脫粘不僅產生于風電軸承運行期間;在軸承鋼淬火期間,鋼基體與硫化錳夾雜物的熱膨脹系數不同會弱化夾雜物與周圍基體的結合力或可能導致夾雜物/鋼界面處產生自由表面。文獻[42]建立了脫粘夾雜物與次表面失效起源的密切關系,60%的夾雜物脫粘,即使夾雜物也呈現為其他類型的缺陷(微裂紋、WEA、開裂的夾雜物)。文獻[96]認同脫粘夾雜物的不利作用,進行了有限元模擬來研究基體與夾雜物的相互作用;獲得的結果顯示:有脫粘夾雜物時應力集中約增加167%。根據Junbiao等的研究,基體與夾雜物的脫粘程度不同,給出不同的應力集中系數。例如完全結合的顆粒具有相對低的應力集中系數。另外,根據夾雜物的軟硬,確立了應力集中系數的差異。在夾雜物完全結合的情況下,軟夾雜物的周圍應力水平較高。隨著基體與夾雜物的脫粘程度增加,缺陷周圍產生的應力增加;因而疏孔代表應力增加達到最大的極限情況。

根據這些研究,似乎清楚了NMI與WEC形成的關系。關于夾雜物尺寸方面,是小夾雜物危害大還是大夾雜物危害大,還未達成充分一致的認識。無論如何,NMI的密度明顯有利于WEC起源及擴展過程。另外,鋼基體中夾雜物的狀態(即結合狀態)對應力集中具有非常顯著的影響。由于WEC的三維特征,建立NMI與失效起源的關系是復雜的工作。為了處理這點,許多研究采用了系列切片,從2D元素建立3D模型。

4.3 殘余電流

由于電動交通及風能行業的快速發展,近年來對放電引起的軸承損傷進行了廣泛的研究。在風電行業常把這種損傷與WEC的形成聯系在一起,而其他行業還未引入這種聯系。清楚的是:電流的存在并不是形成顯微組織變化的主要原因,在很多不存在電流的情況下發現了顯微組織變化。然而,不同的研究指出:通過軸承的電流的存在明顯有利于WEC的形成。

電引起軸承失效的根源在于軸電壓及通過軸承的電流。軸電壓根據其產生的機理可分為3部分:磁通不對稱、靜電效應、逆變器感應電壓效應。除此之外,通過軸承的電流可分為循環的及非循環的。關于電引起軸承失效的根源的更多信息見文獻[97]。

當殘余電流通過軸承時,有通過發生不同電蝕現象(如振紋、發烏、微剝落)影響軸承零件表面的風險。當軸承以規則的速度運行時,振紋現象形成規則的花樣;然而,當軸承以變化較大的速度運行時,表面花樣變成稱之為發烏的磨痕。這些現象引起滾道及滾動體的表面損傷。在表面形成小的剝落或火山坑,觸發新鮮表面的形成。這些新鮮表面的存在是通過在潤滑劑中發生摩擦化學反應產生氫的關鍵參數。文獻[33]指出:由于靜電放電產生的氫擴散到鋼中,從而產生WSF。根據Joerg Loos等所進行的試驗,雜散電流的來源不僅是電力驅動,還包括靜電電荷,這些靜電電荷產生于滾子之間、皮帶驅動中或風電轉子內。對球軸承及滾子軸承所進行的試驗證明:雜散電流會引起早期WEC失效,且WEC失效僅發生在與電源負極相連的軸承套圈(陰極)上。文獻[100]開發了一個數值模型,對軸承鋼中WEC的電熱起源進行假設,指出:WEC的形成與電流附近導熱不良的碳化物周邊的良導熱基體被加熱而發生的熱膨脹有關;由該研究給出的模型預測了碳化物的嚴重變形以及納米空洞的出現。迄今為止,已給出了殘余電流可能在軸承表面及次表面產生的損傷實例,因此這些損傷可能有利于WEC的形成。

雜散電流對潤滑劑有負面作用,會增強WEC的形成。潤滑劑的退化、微泡效應以及電場誘發的界面應力(稱之為電濕性)引起潤滑劑效能降低。軸電壓及軸承電流為化學反應提供所需的能量,加速潤滑劑的退化過程。根據文獻[33-34],在潤滑劑退化過程中,由于摩擦化學反應會產生自由氫質子,因而增加了一個加速軸承鋼中形成WEC的關鍵因素。

與電流會誘發WEC失效的假設相反,文獻[102]使用低黏度等級的標準合成齒輪油在混合摩擦狀態下進行了圓柱滾子軸承試驗,發現:在小的直流電流(25及600 μA)下未檢測到因軸向裂紋或微剝落引起的早期失效,但檢測到因混合潤滑引起的磨粒磨損,因此電流的通過似乎并不總涉及WEC的形成。這一現象似乎是在特定條件下才有利于WEC的形成,而且為了澄清什么樣的電流值才對軸承不利,需要更進一步的研究。

就應對這一現象提出的解決方案而言,其中之一是改善潤滑劑導電性。對究竟是高導電性還是低導電性潤滑劑是最合適的潤滑劑仍有爭議。根據文獻[103],在使用低電阻率脂潤滑的情況下,軸承在化學分解產生的靜默放電影響下失效;在使用高電阻率脂潤滑的情況下,通過電荷的積累及隨后的擊穿而發生失效。Suzumura等證明:增強潤滑脂導電性會減少振紋,并指出由于形成了導電回路,采用導電脂時滾動接觸區的電流密度低于采用非導電脂。在文獻[33]中研究了一種為減小放電效應而增加潤滑脂導電性的方法,將納米碳混入潤滑脂以增強穩定油膜的形成并提高其導電性,避免了軸承滾動體與內外圈之間的放電。提出的其他應對雜散電流的解決方案是使用氧化物涂層或混合軸承。

4.4 瞬變工況:滑動接觸

風電中間軸及高速軸軸承經受苛刻的工況,導致不利的摩擦接觸、滑動、振動以及不希望的潤滑狀態,這些軸承受到風對扇葉的不均勻擾動而產生的不穩定力矩載荷以及緊急停車和與電網連接這樣的瞬變工作循環。軸的狀態監測顯示:中間軸可能每年經受3 000次的連接,每次連接產生5次猛烈的力矩翻轉(在不到1 s內從-800到430),結果是每年15 000次的瞬變載荷,因此在中間軸中檢測到顯著的位移,這些位移的幅值常超過制造商設置的許可值。所有這些方面使軸承經受大的滑動工況。在這樣的工況下,由于滾子與滾道間接觸面積的同步減小以及拖動力的損失,低載高速狀態下的滑動值為(20～110)%SRR。根據文獻[106],由于稱之為Heathcoat滑動的現象(這一現象將在下文詳述,且使用了術語Heathcote;概念相同但保留了每位作者使用的術語),風電齒輪箱中間軸及高速軸軸承一直經受(3～10)%SRR,其是軸承幾何約束的結果。軸承中一定程度的滑動不可避免。發生這種現象是因為非承載區滾子的不對中以及低的拖動力和瞬變事件,如加速、減速、靜止。這些瞬變事件的另一個顯著后果是軸承經受振動,振動主要由扇葉的轉頻、吊艙的變形以及與發電機連接引起。假如轉子不轉動,會發生小的振動,導致微動磨損。

關于WEC產生達成的少數一致意見之一涉及法向載荷(接觸應力)的影響,無數研究顯示:大的載荷不是產生WEC的必要條件。試驗所用的接觸應力為1.20～2.15 GPa。文獻[108]評估了行星軸承的加載和卸載狀態。迄今為止,已知軸承的過載對其疲勞壽命不利,但卸載狀態的影響一直未仔細研究。該研究透露行星軸承61%的時間在低于最小額定載荷下工作;欠載狀態下,軸承的作用力不足以達到維持滾動所需的拖動力,因此促進軸承的過度滑動。總之,可以說軸承的卸載狀態引起滑動接觸,當然會通過不同的過程利于WEC的產生。關于法向載荷,出現的另一個問題是動載荷還是恒定載荷更不利?文獻[107]指出:在FE8試驗中WEC的形成取決于摩擦加載,因而在給定運行時間內恒定載荷具有比動載荷更高的能量輸入。根據下面給出的模型,能量輸入越高,產生WEC的概率越高。

瞬變及沖擊工況對潤滑產生不利影響。在不同速度和載荷的不同階段工作的齒輪箱中使用了一種單一潤滑劑,中間軸及主軸的低速使合適的摩擦膜難以形成;相似地,緊急停機或開關機導致潤滑不足。達到一特定的λ值確保接觸面的分離似乎是防止WEC類失效的關鍵,幾個研究指出:導致邊界潤滑狀態的低λ值是促進WEC形成的主要因素之一。隨著λ降低,形成的新鮮表面增加,通過促進潤滑劑與新鮮金屬表面間的摩擦化學反應而有利于原子氫的產生。

如前所述,在瞬變及沖擊工況下風電軸承滑動是主要后果之一。為了再現滑動工況,廣泛使用了FAG-FE8試驗機或具有相似布局的試驗臺,主要試驗推力滾動軸承。在這些試驗中,由于圖7所示的稱之為Heathcote滑動的現象,軸承經受約±14.8%的滑動。在滾子與推力片的接觸區中,產生負和正滑動區;在接觸區中心為純滾動。在相對運動的兩物體之間出現滑動,稱之為從動件的兩物體之一速度較低并經受負滑動,對偶件處于正滑動狀態。

圖7 顯示出正負滑動的推力圓柱滾子軸承的接觸區,表述了Heathcote現象

另外,為了建立接觸區產生的滑動與WEC形成的關系,進行了許多嘗試。始終應注意:無數研究報道顯示WEC更大程度上在負滑動狀態下產生。根據文獻[22],這可能是由于:1)在負滑動狀態下,大量材料經受更高的交變應力(圖8);2)從嚴格的直觀感覺而言,負滑動區中裂紋可更快地生長及擴展。文獻[110]指出:假如存在一條裂紋,其會在接觸前張開讓潤滑劑進入;一旦潤滑劑進入裂紋,裂紋會由于接觸而閉合,使其內的液壓增加,有利于裂紋的生長。這一理論似乎在假設表面WEC起源的情況下有意義。相反,假如所關注的裂紋為次表面起源(如大多數文獻所指出的那樣),這一理論就沒有太多價值。在這種情況下,產生的應力值較高以及其交變特性是對負滑動區中存在較高比例的WEA的合理解釋。對此應額外考慮文獻[30]所提出的內容,即負滑動區下次表面處的氫含量高于正滑動區,這是由于負滑動區產生的摩擦能積累較高。文獻[84]支持這一事實,其證明:不存在滑動時就無氫的滲透。在以下段落中使用了摩擦能的概念,其直接與滑動比有關。

圖8 正負滑動區產生的應力的分解圖表

WEC的形成似乎與滑動、振動、難以形成摩擦膜等現象有關。科技文獻試圖在單一模型下將這些現象的影響統一起來,以有助于預測WEC的形成。為此,Ruellan等首先提出了稱之為局部摩擦功率強度的參數,其與局部接觸應力和局部滑動速度的積成正比。隨后,Greco和 Gould提出了稱之為累計摩擦熱能的概念,其包含了滑動速度、摩擦因數、法向載荷及試驗時間。最后,Loos及Kruh?ffer提出了稱之為粗糙摩擦能積累的新參數,其定義為局部粗糙度水平應力、粗糙度水平摩擦因數、滑動速度及接觸停留時間與再產生接觸的時間(定義為滾動體重復通過軸承滾道面期間連續接觸循環之間的時間間隔)之比的積。盡管作者努力要開發一個預測WEC形成的可靠理論,但這些模型并不總是可靠。文獻[30]中就有一個明顯的實例:試驗結果與Greco和Gould提出的模型不匹配。文獻[30]將高應力下的RDM試驗與FE8試驗及四球試驗進行了對比,雖然RDM試驗中摩擦能積累高于其他2種試驗,但在RDM試樣中未發現WEC,而另外2種試驗中形成了WEC。文獻[7]否定了以上給出的3種模型,其聲明:接觸疲勞損傷具有累積特征,而不是突發災難特征,即裂紋的產生與擴展需要施加一定次數的應力循環。似乎清楚的是:迄今為止所展示的模型本身不能提供WEC形成機制。因此,未來預測WEA形成的模型應考慮與潤滑相關的現象(如氫擴散)的影響以及隨著應力循環通過特定材料區域所經受的應力過程。

4.5 風電軸的波紋度

假如一套軸承與帶波紋度的軸配合,其會適應軸的形狀,因而會因不合適的配合在內圈上產生不均勻的應力分布。這種不期望的接觸條件會導致早期失效,如微動腐蝕。通過有限元分析可證明:軸的波紋度會增加靠近滾道面區域的拉應力,根據Ⅰ型斷裂,其會導致裂紋在晶格缺陷處萌生。因此,軸的波紋度會促進微動腐蝕、裂紋萌生等不希望的現象。在風電齒輪箱軸承中就已發現這2種事件同時發生,在該軸承內圈上觀察到微動腐蝕帶,在相同區域的次表面發現WEC及滾道軸向裂紋。因而,軸承套圈中誘發的周向應力是夾雜物處萌生次表面裂紋的危險因素。

4.6 溫度

溫度本身不能產生WEC,但其具有激活或失活其他WEC驅動因素(主要是化學驅動因素,如潤滑膜厚度、潤滑劑的添加劑、摩擦膜形成與磨損間的平衡或潤滑劑的吸濕與介電性能)的能力。溫度對潤滑劑的黏度具有強烈影響,因而會顯著影響摩擦膜厚度。當潤滑劑在高濕環境下工作時可能發生水污染;若再加上高溫綜合作用,水污染就更容易發生。關于產氫方面,金屬-金屬接觸處產生的閃溫在提供水分解所需的能量方面起著關鍵作用,水分解得到氫原子,氫原子可擴散到鋼中并觸發氫脆,因此啟動WEC過程。

5 研究WEC失效的試驗程序

再現風電齒輪箱軸承的真實工況是困難且花費大的任務。另外,WEC是一種復雜現象,因此在實驗室規模以可控的方式再現并研究WEC是一種挑戰。因而,考慮到比例試驗通常存在的局限性,在實驗室規模使用簡化的替代方法來模擬試樣或基礎件中的WEC失效。迄今所進行的試驗可分為兩類:使用簡單幾何形狀試樣的摩擦儀試驗及使用實物軸承的軸承臺架試驗。摩擦儀試驗由在可控條件下再現摩擦接觸的基礎試驗組成,其優點是可單獨再現及研究不同WEC驅動因素的影響,一般比滾動軸承臺架試驗便宜且快捷。在實物軸承試驗時,接觸及工況狀態更接近真實狀態,但驅動因素的控制更復雜。本章論述了迄今為止在實驗室中用于產生WEC的主要試驗機結構及摩擦儀,如PoD、盤-盤、MPR;另外,論述了軸承試驗機上所進行的主要試驗。每節討論了不同研究的結果。

5.1 摩擦儀及試驗機結構

5.1.1 PoD

銷-盤摩擦儀結構廣泛用于研究靜態加載條件下材料相互滑動時的摩擦和磨損。文獻[115]使用改進的PoD摩擦儀(圖9)來形成WEC,其用動載荷代替靜載荷,試驗機加載臂中心點可繞樞軸轉動,兩端分別與球試樣和循環加載機構連接。通過凸輪及隨動機構對載荷進行動態調制,凸輪連接一臺附加電動機,電動機具有可調的轉速以調整動態加載的頻率。在初步研究驅動因素對風電齒輪箱軸承中形成WEA的影響時采用這種試驗機,因為風電軸承常經受高達約±110%的滑動,FE8試驗達不到該值,其滑動值約±14.8%。摩擦能的產生導致活性新鮮金屬表面的強烈形成,隨后由于嚴重的滑動及粗糙摩擦而使潤滑劑分解,作為潤滑劑分解的副產品的氫的產生是鋼氫脆的根本原因之一,因而也是軸承中WEA/WEC失效的根本原因之一。

圖9 改進的動載荷PoD摩擦儀示意圖

在文獻[115]中,WEA產生于次表面,且發現:采用產氫多的潤滑劑潤滑條件下,PoD的純滑動作用以及循環壓應力和切應力加速WEA形成,其發生于早期報道的總接觸循環次數的1/10以內。

同一研究小組進行了另外一個試驗,使用相同的試驗機了解載荷頻率及產氫對WEC的影響。進行了數次試驗,其中一些試驗使用產氫方面比較穩定的潤滑劑,而另一些試驗使用了有利于產氫的溶液;試驗中的載荷頻率為1.5～4.5 Hz。結果清楚地顯示了高的載荷頻率及產氫量如何加速WEC的形成。

Manieri等使用正常布局的PoD試驗機來模擬裂紋面的摩擦,以研究通過這種機制形成WEC的可行性。對于一條已存在的裂紋,裂紋面粗糙,在載荷下裂紋面被壓在一起并隨著接觸滾過裂紋而經受相對擺動位移。因此,通過載荷下一軸承鋼試樣在另一個試樣上的小幅擺動應該可模擬裂紋面的摩擦。試驗中使用了2種油(商品機油及PAO基潤滑油),并在無潤滑條件下進行了一次試驗,所有試驗均形成了WEA。因此,他們提出:法向載荷下AISI 52100鋼裂紋面摩擦會產生與WEA相關的顯微組織轉變。

5.1.2 MPR

英國PCS公司生產的微剝落試驗機作為商用MPR是最近所用的產生WEC的試驗機之一,其由R.Graham等通過一系列研究程序開發,該試驗機利用了三環-滾子接觸布局,如圖10所示。直徑12 mm的滾子(試樣)每轉經受3次接觸循環,因此該試驗機能產生1×106 r/h以上的接觸循環。滾子與相距120°布置的3個環接觸,因此在與每個環接觸時產生相同的作用力;環的直徑為54 mm;使用一步進電動機和一加載臂通過上環施加載荷,系統可讓載荷在0～2 000 N變化;接觸應力可變,取決于試樣接觸幾何,實際接觸應力在4.8 GPa以內。環及滾子由單獨的電動機驅動,因此有可能得到特定的SRR。試驗時可選擇濺油或油浴潤滑。

圖10 帶有加載系統及油槽的MPR示意圖

使用2支熱電偶測量潤滑劑溫度:其中一支測量油槽內溫度,另一支測量靠近接觸區的溫度。使用一壓電加速度計測量運行時接觸區的振動,一旦達到某個限值則自動停止試驗。

圍繞WEC驅動因素的爭議清楚地反映在使用MPR所進行的研究中。關于哪個因素是主驅動因素,仍未有統一意見。因此,使用MPR研究了多種驅動因素,如潤滑劑(氫)、摩擦能積累、接觸應力、滑動、鋼的等級或接觸幾何。

近年來也發展了與摩擦能積累概念相關的理論,這些理論建立了摩擦能與WEC產生的緊密關系(見4.4節)。然而,文獻[7]提出了反對意見,該文比較了由在不同試驗設備上進行的不同試驗所得到的摩擦能積累的數值,3種試驗機為FE8試驗機、四球試驗機(FBT)及MPR。在FE8及FBT試驗中形成了WEC,而在MPR試驗中未鑒別出任何顯微組織變化。與摩擦能積累模型所期望的相反,MPR試驗中的能量值高于其他2種試驗。值得注意的是:還有一些MPR試驗(如Gould等所進行的試驗)中形成了WEC,且與FE8試驗相比具有更高的能量值。

建立WEC形成與摩擦能聯系的更多理論也被文獻[7]否定,Manieri等從數值角度解釋了否定這些理論的理由,即最近作為WEC是否發生的判據而提出的摩擦能或摩擦功參數不能預測其研究中的試驗觀測結果。

MPR研究最多的因素之一是潤滑劑對WEC的影響。在文獻[20]中用不同的添加劑包配制了8種潤滑油來研究這些添加劑對WEC的影響。使用MPR進行試驗的條件:SRR為-30%,接觸應力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5。結果顯示每種油所達到的壽命明顯不同。根據這一研究及這一特定的試驗條件,油的類型與WEC的形成有直接關系。文獻[21]研究了5種配方的油(MPR試驗),結果再次顯示出油對WEC形成的影響,尤其是僅添加ZDDP的油為危害最大的潤滑劑。文獻[21]的試驗條件:SRR為-30%,接觸應力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5～0.8。文獻[7]進行了一批試驗,目的是分離潤滑劑對WEC的化學影響,因此嘗試對所有試驗設置相同的摩擦因數,即將試驗移至Stribeck曲線上的同一點。用不同的油在相似的摩擦條件下進行了4次試驗,結果顯示:所有試驗均形成了WEC。因此提出:使用低標油不是形成WEC的必要條件,且潤滑劑的化學成分不是WEC形成的關鍵影響因素。

回顧迄今得到的所有結果,仍不清楚潤滑劑究竟有什么樣的影響。然而,根據文獻[7]和[20-21]所用的試驗條件可得出如下假設:能解釋WEC產生的試驗條件的唯一差別是λ值的不同。在MPR試驗中,不論采用何種油潤滑,形成WEC時λ<0.15;而在WEC產生與否取決于所用潤滑劑的其他研究中,λ為0.5～0.8。因此,本文作者提議:在某些潤滑(λ<0.15的邊界潤滑)條件下,所用的潤滑劑不影響WEC形成,如文獻[7]所示的情況;然而,若潤滑條件更為有利(λ>0.5),則潤滑劑影響WEC形成,如文獻[20-21]所示的情況。

與MPR試驗及WEC產生有關的另一個公開的爭議是接觸幾何的影響。根據文獻[7],線接觸幾何會在運行開始階段在材料中引發某種應力過程,導致在這一時間段形成WEC。為支持其理論,進行了4次橢圓接觸幾何試驗,試驗復制了產生WEC的線接觸試驗條件;沒有任何橢圓接觸試驗產生WEC。就像在這種失效模式研究中常見的那樣,一年后Rydel等發表了一項研究力挺潤滑劑對產生WEA的影響,不管采用什么樣的接觸幾何;該研究中采用不同潤滑劑試驗了2個具有橢圓接觸幾何的試樣。應注意的是:在這種情況下,并未滿足作者以前所給出的關于λ值對產生WEC的影響的假設。產生WEC的試驗的λ值高于其他試驗。

盡管仍有未解開的矛盾,本文以及文獻[20]的作者認同Menieri等的觀點:由于接觸幾何在鋼中誘發的應力過程是可導致WEC失效模式的因素,不管采用什么樣的潤滑劑。

鋼的顯微組織對WEC的影響是MPR研究的另一方面。文獻[72]在已知促進WEC形成的運行條件下試驗了兩類鋼:全淬硬鋼和表面滲碳鋼。根據結果,表面滲碳鋼的壽命比全淬硬鋼長2.3倍,認為這是由于滲碳過程產生的試樣中殘余壓應力及高的韌性。

以下僅為使用MPR研究WEC的另外2個實例。文獻[28]再次展示了鋼種對發生WEA的影響。使用AISI 52100鋼進行了一系列試驗,但某些情況下這種鋼與風電軸承所用的鋼完全相同,而另外一些情況下使用了與制造實驗室試樣相同的鋼。在分析這2種鋼時,發現夾雜物存在顯著差異(更多信息見文獻[28])。相似的研究分析了殘余奧氏體對WEC形成及擴展的影響(見6.1節)。

5.1.3 盤-盤

盤-盤試驗也稱之為雙盤試驗,由分別安裝在兩單獨軸上的滾輪組成,兩根軸由不同的電動機驅動,以設置特定的SRR,在法向載荷作用下兩滾輪發生接觸。可使用不同的潤滑系統:油浴潤滑和濺油潤滑。一般可測得摩擦因數、切向力及接觸區溫度。試驗中所用試樣可以是機加工試樣,也可以是軸承套圈實物。在使用機加工試樣的情況下,試樣常用典型的軸承鋼100Cr6(AISI 52100)制作,殘余奧氏體含量不同;也可見使用其他鋼種,如100CrMo7或20NiCrMo7(一種滲碳鋼)。

可使用不同類型的試樣進行RCF試驗。一個好的實例是由Arnaud等進行的研究,該試驗中接觸輪廓、夾雜物取向、應力狀態或試樣的粗糙度均可變化。為了模擬橢圓接觸并得到一個圓形Hertz接觸區,滾輪輪廓可分別修整為半徑17.5 mm及200 mm的圓弧。修整滾輪輪廓可影響接觸應力,因而這種變動很重要,因為有時設備施加的載荷有限而可能成為限制因素。在同一研究中可見如何修整試樣的另一個實例,為了改變接觸區附近的應力狀態,在試樣圓周打了數個孔。

在迄今所發表的科技文獻中給出了數個使用不同雙盤配置的實例。其中之一是Oezel等用ZF型改進滾動接觸疲勞試驗機進行的研究,該試驗由3個放置在試樣周圍的從動滾輪構成,試樣安裝在驅動軸上;通過一個連接在懸臂上的液壓活塞施加徑向載荷。試樣直徑為36 mm,其工作面寬度為3 mm。采用這一寬度,接觸應力可變化至高達3 400 MPa。除此之外,軸轉速可設置為1 450 r/min,也可設置為高達3 600 r/min。不同試驗間常變化的另一個重要參數是SRR,在這里被設置為7.9%。潤滑膜厚度為1.0～1.4 μm,油溫設置為60 ℃。這些試驗中常用的停機參數是由振動傳感器測得的振動值,其設置為0.75 mm/s。

為研究氫對WEC的影響,一般使用預充氫程序來誘發試樣的脆性后進行試驗。科技文獻中給出了不同的預充氫方法,Oezel 等使用 0.05 M H2SO4+1.4 g/L CH4N2S作為電解液,試樣在不同的電流(1,3,5 mA/cm2)下浸泡24 h,以得到不同的氫含量。

丹麥理工大學機械工程系的研究人員使用了如圖11所示的試驗機。試樣安裝在兩錐形軸上以改善配合。每根軸由一單獨電動機驅動,以0～50 Hz的頻率轉動,產生可控的滑動狀態,此處兩試樣的轉速相同(2 280 r/min),滑滾比為0,即純滾動。通過液壓缸施加法向載荷,環形試樣表面在1 650 MPa的最大接觸應力下發生接觸(接觸半寬0.55 mm)。入口油溫為35 ℃。有趣的是,通過將試樣安裝于不同的軸向位置可使其承受不同的環向應力(350,440,540 MPa)。

像本節的第一個實例,通過將試樣浸泡在50 ℃的硫氰酸銨水溶液中48 h對其預充氫。一旦充氫完畢,就將其安裝在軸上,且試樣由于過大的脆性而斷裂。因此,改變預充氫程序,硫氰酸銨水溶液的濃度由20wt%降為12wt%,浸泡時間也從48 h減為24 h。試驗系列見文獻[116]。

雙盤試驗另一個好的實例是Guzmaon等進行的研究。研究中使用了2個徑向圓柱滾子軸承的內圈,每個內圈由單獨的伺服電動機驅動,可在多個SRR值下進行試驗。使用與上圈相連的加載杠桿加載;通過油浴潤滑系統進行潤滑。試驗一直進行到某個特定的循環次數或超過某個振動水平為止。

為了評估潤滑狀態及SRR對WEC形成的影響,進行了6個試驗。前4個試驗在充分流體油膜潤滑狀態下完成,每個試驗中的SRR分別設置為0,8.3%,8.3%及12.7%,以此再現軸承滾動體與滾道間的實際滑動。SRR為0(純滾動)的試驗1模擬推力軸承接觸區中心的狀態,SRR為12.7%的試驗4模擬接觸區外側的狀態。后2個試驗在邊界潤滑狀態下進行,根據文獻所給出的試驗選擇潤滑狀態。為此,降低了兩圈的轉速,提高了溫度及接觸應力。關于該研究的更多信息見文獻[22]。

圖11所示的最后一個盤-盤試驗由Evans等完成,使用了與文獻[22]類似的配置,但試樣為機加工試樣。如前所述,試樣安裝在由單獨電動機驅動的2根軸上,可設置一個可控的SRR值。像前面的研究一樣,一些試樣充氫。Evans進行的研究中匯聚了所有的相關試驗條件。

圖11 不同的再現WEC的雙盤試驗機結構。試驗機示意圖分別來自:(a)文獻[44];(b)文獻[116];(c)文獻[22];(d)文獻[10]

下節總結了4個雙盤試驗的結果。

在Oezel進行的研究中,26個試驗中僅3個未發現WEA或WEC的形成。3個試驗其中之一的試樣在充氫后直接分析,以評估試樣中預充的氫是否會對材料產生不利作用;另2個試驗在表面出現可見的損傷前人為停止,以研究WEC形成的早期階段。發現WEC失效的最短試驗持續了8.2 h。

在Ole進行的研究中再次使用氫來激發WEC失效,試驗期間17個失效試樣中僅3個未顯示WEC或WEA失效。Hertz應力區表面下方40～500 μm的深度處(因而也是期望的最大切應力處)發現了WEC。值得注意的是,失效時間最長的試樣中發現的WEC并不靠近表面。關于環向拉應力水平差異方面,觀察到試樣發生WEC失效的循環次數隨環向拉應力水平的提高而減少,這就強調了環向拉應力對軸承內圈疲勞壽命的不利作用。在完成預充氫試驗后,進行了無氫且循環次數高的試驗,未發現WEC形成,因而,可劃歸為氫是WEC形成的主驅動因素之一的研究類別中。

并不是所有情況下都使用預充氫的方法來產生WEC失效,一個好的實例就是Guzman等所進行的研究,采用不同的SRR值在1.2 GPa的接觸應力及充分流體油膜潤滑條件下進行了4個試驗,既沒有觀察到表面損傷,也沒有觀察到WEC失效;在此之后又進行了另外2個試驗,研究了邊界潤滑條件下滑動的影響,僅在最不利的狀態下(文獻[22]的試驗6)產生了WEC失效。有趣的是,試驗6沒有使用氫,因此該研究認為不用預充氫也可產生WEC失效。

從最近的一個實例得到的結果列于文獻[10],這里僅給出了主要結論:1)對于在最大接觸應力2 GPa下耐久性超過208 h的情況,蝴蝶組織的形成與可擴散氫的含量無關;2)發現了WEA/WEC優先起源于夾雜物處的強有力證據,由于夾雜物的密度高,夾雜物充當小裂紋和WEC形成的連接器,導致較大的裂紋網,最終達到表面,誘發WSF;3)大多數WEA起源于MnS,MnS+氧化物以及尺寸為1～10 μm的小球形氧化物夾雜處。

這些試驗揭示了不同驅動因素(如氫、環向應力或夾雜物)對WEC形成的顯著影響;此外,由這些結果可得出結論:不采用預充氫試樣也可能產生WEC。這并不意味著接觸區沒有氫存在,如潤滑劑退化產生的氫。

5.2 滾動軸承試驗機-RCF試驗

再現WEC失效的方法之一是使用軸承試驗機進行RCF試驗,與試驗具有特定形狀及材料的試樣的摩擦儀不同,臺架試驗的是軸承實物。最常使用的試驗臺架之一是根據DIN 51819標準化的FAG-FE8試驗機,應注意:在軸向載荷下FE8試驗機上軸承所經受的運動學不同于風電齒輪箱軸承,但也有相似性。例如FE8試驗的軸承經受14.8%的滑動以及純滾動接觸,類似于風電齒輪箱軸承由于幾何約束而經受的連續滑動(3%～10%);FE8試驗的軸承與發生WSF的風電齒輪箱軸承之間的另一相似之處是兩者均為邊界/混合潤滑。在邊界/混合潤滑狀態下鋼表面的接觸會引起金屬-金屬接觸、磨損及摩擦化學反應,釋放出氫并擴散到軸承鋼中。

FE8試驗機的剖面圖如圖12所示,可通過板簧組(FAG-FE8試驗機)或液壓缸對軸承施加軸向載荷,取決于試驗機的布局。就所涉及的潤滑系統而言,可以是油浴潤滑,也可以是濺油潤滑。可試驗不同類型的軸承(從滾子軸承到球軸承),改變與軸承連接的內部夾具即可。油溫及軸承座溫度可控,驅動軸能以特定的速度旋轉。在套圈的內側及外側區域,滾動體與滾道間存在滑動狀態;在套圈的內側區域發生負滑動,因為該處滾動體表面速度高于軸承套圈滾道表面速度,在外側區域將發生正滑動,僅在接觸區中心發生純滾動。可通過一繩輪連續測量摩擦力矩。試驗一般進行到軸承失效,失效可通過軸承中發生的高水平振動來檢測,盡管也可設定某個循環次數來終止試驗。

圖12 球軸承試驗用FE8試驗機布局實例

使用FE8試驗機所進行的大多數研究選擇了似乎可促進WEC形成的工況條件。軸向載荷選取60～80 kN,產生的接觸應力為1.2～1.9 GPa;轉速設置為750或300 r/min。轉速變化對軸承壽命有明顯的影響,750 r/min下進行的試驗一般顯示出約20 h的壽命,而300 r/min下的壽命會延長到約200 h。所有研究中最穩定的值毫無疑問是溫度,設置為100 ℃,該溫度代表軸承安裝處軸承座的溫度,因此可認為接觸區的溫度超過該值。除標準工況外,也常用稱之為WEC危險油的具有高添加劑含量的油。由于工況所決定,軸承運行在邊界或混合潤滑狀態下。在標準條件下進行的試驗大多顯示出WEC形成于滾子及滾道的次表面,WEC常位于負滑動區域。因為一些研究報道了WEC在正滑動區形成,所以可認為裂紋起源于負滑動區而后延伸到正滑動區(見4.4節)。

值得一提的是Evans等所進行的研究,僅在滾子上檢測到WEC的形成;試驗條件為:60 kN/750 r·min-1/100 ℃/WEC危險油,壽命約20 h。這些研究暴露出WEC在滾子形成的3個可能的原因:1)與滾子相比,套圈用鋼的潔凈度更高,這些研究中的潔凈度分析依據ISO 4967-B進行,測量了NMI密度;2)套圈中不存在有利于WEC形成的氫;3)滾子與套圈的硬度差,套圈硬度比滾子低23%,因套圈韌性高而不易開裂。在減少產生WEA的晶間次表面裂紋及后續的裂紋面移動方面,突出了高韌性的重要性。

在一些研究中選定改變滾道的表面精度或鋼種。文獻[31]試驗了具有不同表面精度(砂光及精研)的3種鋼(AISI 52100標準鋼、貝氏體熱處理的AISI 52100、AISI 3310滲碳鋼)制軸承;試驗條件為前述的標準條件(60 kN/750 r·min-1/100 ℃/WEC危險油)。結果顯示:標準軸承在期望的小時數失效。另外2種鋼制的具有精研表面的軸承產生了WEC但壽命不同,AISI 3310鋼制軸承具有較高的小時數;在表面砂光的情況下,任何一種鋼(貝氏體熱處理的52100及3310滲碳鋼)制軸承未產生WEC且3310鋼制軸承仍表現出更好的性能。因此,3310鋼似乎改善了軸承抵抗WEC產生的性能,并且顯示出表面狀態對這種失效模式具有顯著的影響。

采用軸承試驗機進行RCF試驗研究的另一個因素是潤滑劑的影響。文獻[18]使用了3種潤滑劑:1)稱為WEC危險油的商用SAE 75 W-80齒輪油,其含大量添加劑;2)無添加劑的礦物油;3)不含添加劑但加水的礦物油。軸承載荷為60 kN(接觸應力為1.9 GPa),軸承溫度設置為100 ℃,軸轉速為750 r/min是以前產生WEC的已知工況。注意該研究的結果很有趣。使用WEC危險油意味著比使用礦物油減少5%的壽命,WEC危險油在沿接觸線的各摩擦表面上產生微型線狀裂紋。在滑動區由WEC危險油產生的摩擦膜主要由添加劑元素組成,而水污染礦物油則呈現出不同的摩擦膜,由鐵的氧化物組成。僅當使用WEC危險油時才形成WEC,且裂紋僅在產生WEA的負滑動區形成。在負滑動區,由于拖動力施加于滾道移動的方向,裂紋面相互摩擦引起WEA沿裂紋形成。使用含水礦物油潤滑劑觸發氧化并引發微剝落。

5.3 試樣分析

在試驗前、后應對試樣進行分析。試驗前進行試樣分析或表征的目的是了解化學成分或存在的有害化合物,如硫或碳,可通過燃燒分析確定。燃燒分析技術是基于在1 000 ℃的溫度下用純氧將試樣完全瞬間氧化。元素(如氧、氫)可通過熱吸附分析(TDA)確定。其他重要的方面是了解殘余奧氏體含量,通過X射線衍射分析測量。粗糙度測量是進行WEC研究的重要前期步驟,因為精加工不良的表面會引發材料的早期磨損,引起表面剝落及裂紋萌生源,當試圖了解WEC的起源及擴展時,這一事實會引起混淆。實際上,作為試驗前、后的表征措施,為了解潤滑劑的退化程度而進行的金屬元素及含水量的測量具有重要意義。

值得強調的是,試驗后表征是了解試樣中WEC失效的起源及擴展的重要工具。最關鍵的事項之一是確定哪些區域會受到WEC的影響,因為有時試樣中不存在任何的表面損傷證據或證據極其有限,所以難以鑒別缺陷的起始點。之所以如此是因為WEC是三維發展的缺陷,了解其何處開始和何處結束是一項復雜的工作。如前所述,在任何情況下WEC一般在切應力達到最大值的次表面處產生,且夾雜物及氫的不利影響同時作用,觸發WEA形成。因此,假如存在的話,失效會在深度約1 mm的區域發生。

以下所列包括鑒別及研究WEC最常用的表征技術:

·光學顯微鏡(OM):最常用的分析技術,可提供大量信息。使用OM可鑒別WEC的深度及取向且可研究WEC-NMI的相互作用。此外,通過系列切片過程可進行WEC的3D研究,系列切片是:通過精磨及拋光每次去除“x”μm的材料,然后用OM研究材料切面,如此重復,直到構成一個3D失效模型。

·掃描電子顯微鏡(SEM):檢測裂紋表面及形貌,得到其表面的真實圖像。

·透射電子顯微鏡(TEM):放大倍率高于SEM,并可對試樣進行更深入的分析,但不能獲得真實圖像。

·能量散射X射線譜儀(EDX/EDS/EDAX):用于表征夾雜物及WEA的化學成分。

·原子力顯微鏡(AFM):用于研究WEA的表面形貌,可達納米級。可精確研究基體與夾雜物間的界面。

·宏觀/微觀硬度試驗:用于表征WEA出現后形成的不同顯微組織,在WEA表面及WEA與基體間的界面上進行硬度測試很有意義。

·超聲波試驗(UTS):用于鑒別材料中的缺陷。

6 熱處理及涂層對WEC形成的影響

6.1 熱處理

Errichello等進行的研究揭示了在防止WEC方面熱處理對軸承性能的影響,尤其是重點研究了2種硬化工藝:全淬硬和滲碳。

全淬硬是將鋼奧氏體化,隨后進行足夠快的冷卻以得到馬氏體顯微組織。在這種情況下,鋼的硬化取決于2種因素:淬透性,其由鋼的TTT曲線位置決定,增加含碳量及合金元素、晶粒尺寸,TTT曲線右移,淬透性提高;第2種因素是冷卻速度,取決于冷卻源及試樣尺寸。

滲碳是一種完全不同的熱處理,其改變鋼的表面化學成分。在這種處理中,通過將低碳鋼的表面含碳量由0.15%～0.25%增加到0.8%～1%而使其硬化。碳需在奧氏體狀態滲入試樣,因為僅鋼的這種同素異構相可讓固溶體中容納高的含碳量。

就避免WEC形成而言,2種熱處理的主要差異是鋼中出現的殘余應力值及殘余奧氏體含量不同。據知,鋼中一定量的殘余奧氏體可產生比基體軟的特性,因而呈現較好的疲勞性能;關于殘余應力,應注意:殘余壓應力因傾向于閉合裂紋而對防止裂紋生長有利,而拉應力傾向于促進裂紋生長。

在文獻[129]中研究了2種軸承:一種為全淬硬;另一種為滲碳。這些軸承在風電齒輪箱中間軸上服役了6年。對應的軸承壽命比較顯示:全淬硬軸承的壽命為期望壽命的16%,而滲碳軸承迄今僅有1套失效。使用X射線衍射(XRD)測量了2種軸承的殘余應力,全淬硬軸承中0.05 mm深度處的殘余應力為拉應力(80 MPa),而滲碳軸承中直到0.8 mm深度處還是殘余壓應力(400 MPa)。Gould等對2種軸承(全淬硬鋼AISI 52100及滲碳鋼AISI 3310)進行的試驗研究支持這些結果。相似地,全淬硬軸承中測得的表面殘余應力很快變為拉應力,而滲碳軸承中測得的壓應力一直保留到較深處,如圖13所示。在2個研究中,采用XRD測量了殘余奧氏體,結果是全淬硬軸承的殘余奧氏體少于滲碳鋼軸承。

圖13 來自Gould等研究的曲線圖。(a)硬度、(b)殘余應力和(c)殘余奧氏體含量隨表面下深度的變化

根據文獻[72],軸承具有相似的幾何形狀,但化學成分、殘余應力及殘余奧氏體含量不同。因此,研究結果認為:1)殘余壓應力阻止裂紋生長;2)一定量的殘余奧氏體在疲勞過程中是有利的,因其比馬氏體軟得多的特性;3)材料心部低碳高鎳的化學成分帶來高的韌性。

Eririchello等進行了像前述那樣的分析,但試樣均為相同幾何形狀及化學成分的滲碳軸承,2種軸承唯一的差別是殘余應力及殘余奧氏體含量。再次顯示,抗WEC失效性能最好的是1 mm深度處殘余奧氏體含量最高(20%～25%)且殘余應力最高的軸承。

Gould等得到的結果顯示:與全淬硬處理相比,使用滲碳處理可將軸承壽命提高2倍以上,如圖14所示。另外,為了研究WEC起源及形成,進行了短期試驗,結果揭示:循環次數為30×106 r時已形成了WEC。假如試樣在達到以前測得的平均壽命值前不發生失效,這一滲碳控制的工藝將值得推廣,確信是由于壓應力阻礙了WEC的生長。

圖14 滲碳及全淬硬試樣發生WEC損傷時循環次數的差異(基于文獻[72])

Gould完成的研究中,所有試驗均使用了相同的試驗條件和相同的油,該油是眾所周知的WEC驅動因素,根據最近的研究,其含有最有害的添加劑,如磺酸鈣及ZDDP。

就文獻[72]和[129]的研究結果而言,有必要厘清一些與裂紋網取向有關的概念。首先,要解釋2個研究中關于裂紋擴展所使用的術語:軸向裂紋是滾道上沿軸向(即軸的方向)形成的表面裂紋;垂直/徑向裂紋是垂直于滾道擴展的次表面裂紋。2個研究認為表面滲碳試樣傾向于產生較少的軸向裂紋,其在沒有完全搞清楚的情況下建立了軸向開裂與垂直/徑向裂紋擴展間的關系。然而,如文獻[43]所詳盡論述的那樣,WEC在三維方向生長且不同截面上WEC的取向差別相對明顯。軸承套圈可通過軸向或周向截面剖開,全淬硬鋼軸向截面揭示WEC平行于滾道,而在周向截面上分析相同的WEC,則WEC傾向于垂直于滾道的方向。因此似乎有必要強調的是:文獻[72]和[129]僅提及了周向截面。總的來說,當討論WEC的擴展方向時,為避免誤解,使用縝密準確的詞匯非常重要。

研究[72]和[129]對全淬硬鋼套圈進行的周向截面觀察表明:裂紋垂直于接觸面生長,這種開裂模式歸因于軸承安裝誘發的周向應力或熱處理產生的殘余拉應力。記住在套圈的安裝過程中不會出現周向應力,裂紋呈現這樣的形態是由于全淬硬誘發的拉應力。另外觀察到:滲碳套圈中鑒別出的WEA寬度大于全淬硬套圈中出現的WEA寬度,WEA寬度可看作局部區域中釋放的能量值的表征,出現這種情況可能是滲碳套圈能經受更多的循環次數,裂紋面摩擦產生的能量大,因此可產生較大的塑性變形。

與文獻[72]和[129]的論述相反,文獻[130]聲稱:滲碳鋼并未真正改善其抵抗WEC形成的性能,且滲碳熱處理僅可防止軸向裂紋形成。這種行為可通過2個方面原因解釋:材料的心部存在更大的延展性;表層存在殘余壓應力。另外,本文也討論了另一個有意義的概念,發現:材料的貝氏體組織的疲勞壽命明顯不同于馬氏體組織。這是因為貝氏體轉變產生的組織熱力學穩定性更高,且貝氏體套圈一般呈現出殘余壓應力,如前所述,這些壓應力可降低之后的拉應力的效應。

6.2 涂覆

近年來提出了各種解決方案來避免導致軸承早期失效的次表面顯微組織變化及裂紋的形成。風電齒輪箱軸承的失效導致非常高的運行及維護成本,降低了風電廠的效益。本節討論黑色氧化(BO)的應用,其為防止軸承早期失效可用的涂層之一,也是目前應對WEC最常用的解決方案。自大約1900年以來,德國就一直使用這種處理來改善軸承的表面性能,得到漂亮的外觀,耐蝕,提升潤滑性能,耐涂抹及粘著。應注意的是:滾子及套圈均應采用這種氧化物涂覆,以得到最優的軸承性能并確保涂層的耐久性。BO是一種通過軸承表面的化學反應完成的表面處理,處理時軸承零件浸入溫度約為140～150 ℃(單槽處理)的堿性鹽水溶液;雙槽工藝使用了溫度為152～154 ℃的第2個槽。鐵基合金中的鐵與溶液發生反應,在軸承零件表面生成氧化層,FeO與Fe2O3的規整結合形成Fe3O4,由此形成0.5～3 μm厚的黑色表層,層厚取決于所用工藝(單槽或雙槽)。與未處理的AISI 52100鋼相比,BO處理后的彈性模量及硬度分別降低27%,25%(AISI 52100鋼的硬度約為60 HRC,彈性模量約為230 GPa)。若將文獻[136]中形成的氧化層與文獻[138]的加以比較,則可看出:使用雙槽時在碳化物與氧化物材料間的界面上觀察到空洞,而相比之下單槽產生的氧化物層中未發現這樣的空洞。

現在在風電軸承上大量使用BO可能是由于SKF在線雜志“Evolution”所報道的好處,即BO可將早期失效的風險最小化,并改善苛刻運行及潤滑工況下的軸承性能。低的早期失效風險歸之于降低了摩擦化學侵害,減少了氫在鋼中的擴散,防止腐蝕及顯微組織的穩定化。由于氫對WEC形成的明顯加速效應,似乎是BO減輕這種效應的特性直接與減少WEC產生的概率有關。值得注意的是,BO如何能避免氫向鋼中擴散并因此降低WEC形成的風險。Ooi等進行的研究顯示了這種涂層對潤滑劑分解產生的氫吸收的阻止作用,其試驗采用了不同的試樣,BO涂覆、未涂覆以及涂覆后去除涂層,并在不同溫度下將試樣浸入不同潤滑劑,通過TDA測量吸附的氫含量。注意到:即使未將試樣浸入潤滑劑,BO涂層試樣也含有少量的氫,但不足以引起氫脆。另外,在恒定溫升下進行的試驗中觀察到:某一特定溫升下,涂層試樣顯示出較低的可擴散氫含量。這種行為歸之于表面形成的磁鐵礦結構的氧化物,因為這種氧化物為離子鍵結合的晶體結構。文獻[140]也支持BO涂層減少氫滲透這一觀點。

文獻[132]強調了BO涂層帶來的另一個優勢是改善粘著磨損(涂抹)抗力。粘著磨損與滑動密切相關,如果聯想到文獻所論的滑動是WSF的主驅動因素之一,則不可避免地將BO的應用與抵抗WEC形成的改善措施聯系在一起。根據對滑動/滾動接觸中BO性能的研究,BO性能受潤滑條件的影響顯著。文獻[136]使用不同布局的摩擦儀進行了一系列試驗(滑動摩擦、滾動/滑動摩擦、滾動/滑動磨損及滾動/滑動粘著磨損等試驗)后得出結論:在λ<0.4的試驗中,與未涂覆試樣相比,BO絲毫不減小摩擦因數;然而在混合潤滑狀態(λ>0.4)下進行的試驗中,BO有利于摩擦因數的減小。實際上,滑動增加的試驗表明:只要涂層完整,BO可防止涂抹。由該研究可得出結論:控制滑動/滾動接觸中BO耐久性的參數是λ值。由同一研究小組進行另一個研究證實:在苛刻潤滑條件下(λ<0.34),BO會磨掉并失去其防護性能。

文獻[138]比較了軸承中使用的BO與物理氣相沉積(PVD)涂層。改善軸承性能的手段之一是使用PVD涂層,如碳化鎢增強類金剛石碳(WC/a-C:H )涂層。這些涂層開發于20世紀80年代且在90年代應用于軸承,尤其是類金剛石碳(DLC)已用來防止軸承發生的許多疲勞及磨損模式,如微剝落、涂抹、偽布氏壓痕等。通過設計納米化合物膜,可使PVD技術得到廣泛應用。雖然迄今對使用DLC來減輕早期次表面軸承失效尚未研究,但并不排斥對其進行研究,因為已報道出比BO好的結果。根據文獻[138]和[144]給出的結果,WC/a-C:H在邊界潤滑條件下表現出優于BO的抗粘著磨損及抗疲勞性能,這可能是由于:1)WC/a-C:H具有比鋼低的彈性模量,可避免因變形現象而形成裂紋;2)WC/a-C:H具有比軸承鋼高30%的硬度。相比之下,BO具有比軸承鋼低75%的硬度,彈性模量與WC/a-C:H相似。這些性能意味著:在潤滑和滑動不能精確控制的接觸中,DLC是不錯的選擇。由這些涂層所展示的有利結果可用于防止WEC。

本文作者認為有必要在DLC領域進行進一步的研究,以改善風電軸承的性能,增加所用的功率。這一建議基于最近的研究,這些研究強調了BO涂覆后軸承中存在次表面損傷,會導致軸承在現場工作時出現WSF。文獻[137]分析了BO涂覆軸承的內圈,該內圈出現了一處BO涂層被磨掉的過載區域,該區域的BO厚度為0.2 μm,未損傷區域的膜厚為2.2 μm,因此涂層的性能受到影響,顯示出與軸承鋼非常相近的彈性模量及硬度。BO涂覆軸承出現與未涂覆軸承類似的失效,如蝴蝶組織、WEC、次表面微裂紋、次表面開裂的RCF裂紋,表明在這種情況下BO不能降低高的表面拖動效應;以上這些缺陷甚至出現在BO幾乎沒有嚴重破壞的區域。文獻[137]認為NMI是次表面損傷的主要起源者。

盡管在涂層方面取得了一些進展,但似乎需要更多的研究來證實BO的優良性能或提供新的解決方案,如使用DLC的可能性。文獻[137]中的發現似乎聚焦于NMI在WEC的發展過程中所起的根本作用。

7 結論及展望

本文對近年來討論最多的風電軸承失效進行了全面評述,收集了有關方面的最新概念,如WEC起源模式、靠近WEC的顯微組織變化、WEC驅動因素、研究WEC的試驗程序以及熱處理和涂覆對WEC的影響。

本節給出了基于新的驅動因素分類準則的綜合結論。本文作者認為有必要清楚地區分兩類驅動因素:主驅動因素及加速驅動因素。加速驅動因素中突出了以下因素：殘余電流的通過、過大周向應力的存在、過高的工作溫度或某些添加劑包的存在，這些驅動因素在WEC形成中并不總是存在，其不是根本因素,但有利于加速WEC的形成。

同時,在風電齒輪箱高速軸軸承的實際工況下,主驅動因素(滑動、NMI、氫)總是出現。在所有軸承中均存在滑動現象，SRR的值可高達100%。無數的研究顯示:在WEC起源及擴展過程中，滑動的存在是關鍵；滑動誘發高的表面拉伸應力，促進潤滑劑的退化，因而在滾動體-滾道的接觸區內產生原子氫，并對合適摩擦膜的形成產生負面作用。在滑動及軸承載荷的影響下，所有鋼中存在的NMI充當應力集中點，因而也是鋼基體中裂紋起源及擴展的關鍵點。將氫歸為主驅動因素一組是由于在實際工況下總存在一定量的氫,因為軸承工作要用潤滑劑。即使有研究確認在無潤滑或不存在氫的情況下產生WEC的可能性，仍決定將氫劃歸主驅動因素一組，主要考慮到沒有一套風電齒輪箱軸承在沒有潤滑劑的情況下工作，因而認為氫是產生脆化效應的根本因素。這并不意味著否定支持無潤滑劑及氫時存在WEC的研究。氫的存在已討論了多年，且仍需要研究來澄清使用潤滑劑(如僅含ZDDP)的某些試驗后試樣中的氫含量。潤滑劑通過摩擦化學反應分解產生氫似乎是被科學界否定的事實。

當考慮所研究的不同WEC起源模式時，將驅動因素分成兩類就更有意義。文獻中所提到的2種起源模式與驅動因素顯著相關，即存在的驅動因素不同，一種起源模式可能比另一種模式更為優先。當加速驅動因素作用有利于表面變化時，表面起源模式就成為例外情況出現；相反,假如起作用的因素是所謂的主驅動因素，則呈現次表面起源模式，如大多數研究所顯示的那樣。

根據文獻，受到大多數研究者支持的WEA形成過程是:首先形成裂紋，然后裂紋面摩擦，形成WEA;研究顯示這一過程切實可行。主驅動因素的綜合作用與這種形成過程完全契合。WEC起源模式及WEA形成過程支持作者將驅動因素分成兩類的建議。

以下是致力于研究這種現象的研究者們達成高度一致的概念:

·WEA表征為碳過飽和的納米晶鐵素體結構且無碳化物,其以2種方式存在:由納米晶及非晶相組成的轉變WEA;主要由納米晶組成的變形WEA。WEA硬度比基體高10%～50%且起源于裂紋表面摩擦。

·影響最大的驅動因素按順序排列為:滑動現象,由軸承所受的瞬變工況引起;NMI,充當裂紋起源者及擴展者;氫脆,雖然根據一些研究其為非必要因素,但其在風電軸承摩擦接觸區總是存在。

·使用不同布局的摩擦儀(銷-盤、雙盤、微剝落試驗機)進行了WEC產生的試驗。同時研究了一種或幾種驅動因素的影響,如潤滑劑、滑動狀態、氫效應、動及靜載荷、高轉速或表面精度的影響。實際上,也使用了滾動軸承試驗機,FAG-FE8是最常用的型號,一般優先選用推力滾動軸承在不同轉速、潤滑劑、載荷下進行試驗。甚至設定了產生WEC的標準工況:載荷為60～80 kN(接觸應力為1.5～2.2 GPa),轉速為300～750 r/min,溫度為100 ℃,潤滑劑為名為WEC危險油的油。

·值得強調的是;與全淬硬相比,滲碳處理呈現更好的性能;對于應對WEC的未來研究而言,考慮以下性能特征很有意義。滲碳處理可帶來以下特性:1)高的表面硬度,其隨深度而下降;2)殘余壓應力,阻止裂紋生長;3)高于全淬硬處理的殘余奧氏體含量,使材料更韌。

·在風電齒輪箱軸承中廣泛使用BO來避免WEC形成。盡管一些研究貢獻出好的結果,但BO似乎還有改進的空間,正如一項最新的研究論述了BO處理的風電齒輪箱軸承因WEC而發生失效。作為BO涂層的替代措施,強調了DLC的應用,所進行的一些試驗已表明:在苛刻工況下,DLC性能優于BO。

為了應對WEC問題,有必要減小主驅動因素的影響。因而,潤滑劑制造商的責任是配制不含產氫添加劑的潤滑劑;另一方面,涉及制鋼的單位必須開發超潔凈鋼,這些鋼同時還應具備使軸承可在苛刻工況下連續工作所需的性能;最后的任務是完善或改革軸承運行方式。雖然要遵循基本的工作原理,但因精度要求,軸承制造商應關心最新技術的應用。這僅是對闡述每種解決方案涉及的復雜性所做的嘗試,因此認為:WEC未來的研究在于開發新涂層。WEC是一種涵蓋不同學科、科學及工業分支的失效模式,要徹底了解則需要公司、技術研究中心及高校的合作。

THE END

參考文獻(略)

Broad Review of “White Etching Crack”Failure in Wind Turbine Gearbox Bearings:Main Factors and Experimental Investigations

譯自《International Journal of Fatigue》,2021,145:106091.

翻譯：劉耀中  校對：曾獻智