分享：海上風(fēng)電用42CrMo軸承鋼的電化學(xué)行為

海上風(fēng)力發(fā)電不僅有助于減少對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，還可以有效緩解陸地空間緊張的問題，增強能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性[1-2]。然而，海上風(fēng)電設(shè)施面臨著比陸地風(fēng)電更為苛刻的環(huán)境條件，如鹽霧、濕度、溫度、風(fēng)力和海浪等[3-5]，這些因素極大地增加了設(shè)備的維護難度和成本，尤其對風(fēng)電機組中的金屬部件，如軸承、塔筒等[6-7]。隨著海上風(fēng)電機組裝機量增加，風(fēng)電機組的故障率和可靠性也越來越受到重視，其中軸承故障已經(jīng)成為影響風(fēng)電機組可靠性的關(guān)鍵[8]。 

軸承是海上風(fēng)力發(fā)電機組的核心部件之一，也是最薄弱的環(huán)節(jié)之一。據(jù)統(tǒng)計軸承類故障占我國風(fēng)力發(fā)電機組總故障的74%，而腐蝕因素占約40%，其中不乏運行不到3 a即失效的案例[9]。服役壽命遠(yuǎn)不如預(yù)期（風(fēng)電行業(yè)要求20 a），導(dǎo)致風(fēng)機長期停運甚至提前報廢。海上風(fēng)電軸承部件服役工況復(fù)雜且惡劣，在靜態(tài)條件下，風(fēng)機軸承持續(xù)受到C4級及以上腐蝕性等級的海洋環(huán)境腐蝕作用，部分軸承（如變槳、偏航軸承）直接暴露于海洋大氣環(huán)境，受到高濕、高鹽、長時間潤濕的多重作用[10-11]，腐蝕性等級達到甚至超過C5級。在工作狀態(tài)下，風(fēng)機軸承還將承受機器運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的高溫度、復(fù)雜工作載荷的耦合作用[12-13]。風(fēng)機運行時，艙內(nèi)溫度將隨著機器啟動及轉(zhuǎn)速提升發(fā)生改變，軸承部件的環(huán)境溫度將在30~70 ℃波動，最高可能達到80 ℃[14]。與此同時，軸承部件轉(zhuǎn)動時還將承受高沖擊、振動及徑向接觸應(yīng)力等載荷耦合作用，溫度場和力場的疊加將使得其所處環(huán)境的腐蝕性更加惡劣。然而，當(dāng)前大部分研究關(guān)注軸承鋼強韌性、高的抗疲勞性和耐磨性等方面[15-17]，對其服役過程中的腐蝕問題缺乏系統(tǒng)研判和機制認(rèn)識，使得海上風(fēng)電機組存在巨大安全隱患，這阻礙了我國風(fēng)電裝備國產(chǎn)化進程。 

因此，筆者以42CrMo軸承鋼為研究對象，通過電化學(xué)測試、腐蝕形貌分析等對其在模擬海洋環(huán)境中的電化學(xué)行為進行了研究，并針對軸承運轉(zhuǎn)時帶來的溫度變化對其腐蝕行為的影響進行了探究，相關(guān)研究結(jié)果有助于加深對海上風(fēng)電軸承部件腐蝕失效的認(rèn)識，為海上風(fēng)電裝備發(fā)展提供支撐和幫助。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

試驗用軸承材料為42CrMo合金鋼板，其主要成分如表1所示。從鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的塊狀樣品，通過SiC砂紙逐級（至2000號）打磨，機械拋光至鏡面，隨后用去離子水和酒精依次清洗表面。將拋光后的試樣表面通過4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精侵蝕8~10 s，將其置于光學(xué)顯微鏡（光鏡）下觀察金相組織，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，42CrMo鋼的微觀組織主要由板條狀貝氏體和針狀鐵素體組成，未觀察到明顯的夾雜物和奧氏體晶界特征。 

圖  1  42CrMo軸承鋼的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of 42CrMo bearing steel

1.2   電化學(xué)測試

選用傳統(tǒng)的三電極體系在CS350M電化學(xué)工作站上進行電化學(xué)測試，其中：42CrMo鋼為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，Pt片為對電極。從鋼板上切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的塊狀樣品，用導(dǎo)線焊接后，環(huán)氧樹脂密封暴露1 cm2的工作面積，并將工作面用砂紙逐級（至1500號）打磨。將工作電極浸泡在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液中，測試溫度為25，30，40，50，60，70 ℃，測試時間分別為0，3，7，15，30 d。電化學(xué)阻抗譜（EIS）和極化曲線測試前，先開展至少20 min的開路電位（OCP）測試，以判斷系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定。隨后，在不同條件下進行EIS測試，擾動電位為10 mV，測試頻率為0.01 Hz~100 k Hz。動電位極化測試的電位掃描范圍為-0.4~0.5 V（相對于OCP），掃描速率為0.5 mV/s。 

1.3   浸泡試驗

從42CrMo鋼板上切取尺寸為25 mm×10 mm×3 mm的矩形試樣，用砂紙逐級（至1500號）打磨，置于3.5%NaCl溶液中分別浸泡3，7，15，30 d，試驗溫度為25 ℃。浸泡結(jié)束后取出試樣，置于光學(xué)顯微鏡下觀察其表面腐蝕產(chǎn)物形貌，隨后利用除銹液去除表面腐蝕產(chǎn)物，觀察其腐蝕形貌特征。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   溫度對42CrMo鋼電化學(xué)性質(zhì)的影響

圖2為42CrMo鋼在不同溫度下的OCP曲線。由圖2可知，各溫度條件下，42CrMo鋼的OCP均快速降低并在浸泡400 s后逐漸趨于穩(wěn)定。25 ℃時，42CrMo鋼的OCP約為-0.585 V，隨著溫度的升高，OCP逐漸降低，當(dāng)溫度升至60 ℃和70 ℃時，42CrMo鋼的OCP穩(wěn)定在約-0.7 V，相較于25 ℃時的降低了約115 mV。由OCP的變化規(guī)律可知，溫度升高增加了42CrMo鋼的電化學(xué)活性。 

圖  2  42CrMo軸承鋼在不同溫度下的OCP曲線及其穩(wěn)定值

Figure  2.  OCP curves (a) and stability values (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures

圖3為42CrMo軸承鋼在不同溫度3.5%NaCl溶液中的EIS曲線。由圖3（a）看出，所有溫度下42CrMo鋼的Nyquist圖均表現(xiàn)為一個較大的半圓弧，這通常意味著其具有容抗特征。隨著溫度升高，容抗弧的半徑迅速降低后逐漸趨于穩(wěn)定。通常，容抗弧半徑降低意味著電化學(xué)反應(yīng)阻力減小，即腐蝕加速。由Bode圖中的相位角變化可知，各溫度條件下，中-低頻區(qū)域均有一個較寬的峰值范圍，根據(jù)文獻，可推斷影響該電極反應(yīng)過程的時間常數(shù)可能有2個[18-19]。因此，本文選用圖3（a）中的等效電路圖對所得EIS曲線進行了擬合，等效電路中各元件的含義如下[20]：Rs為溶液電阻，Rf和Qf為腐蝕產(chǎn)物電阻和相應(yīng)的常相位角元件，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Qdl為雙電層對應(yīng)的常相位角元件。依據(jù)上述等效電路擬合得到的電化學(xué)參數(shù)值如表2所示，由表可知，隨著溫度的升高，Rct從4 020 Ω·cm2迅速降低并逐漸穩(wěn)定在500 Ω·cm2附近。Rct反映金屬失去電子的困難程度，其值越小意味著金屬耐蝕性越差。顯然，溫度升高降低了3.5%NaCl溶液中42CrMo軸承鋼的耐蝕性，這與前文OCP的變化規(guī)律保持一致。 

圖  3  42CrMo軸承鋼在不同溫度下的Nyquist圖和Bode圖

Figure  3.  Nyquist plots (a) and Bode plots (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures

為了進一步認(rèn)識不同溫度下42CrMo軸承鋼的電化學(xué)反應(yīng)過程，進行了相應(yīng)的動電位極化曲線測試，結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，在測試溫度范圍內(nèi)（25~70 ℃），42CrMo軸承鋼的陽極均表現(xiàn)為金屬失去電子的活化溶解過程，而不同溫度下的陰極反應(yīng)存在一定差異。在25 ℃和30 ℃下，42CrMo鋼的陰極過程表現(xiàn)出氧擴散的特征，說明其電極反應(yīng)過程受到電荷轉(zhuǎn)移和傳質(zhì)過程的混合控制；而當(dāng)溫度升至40 ℃及以上時，陰極氧擴散過程消失，其電極反應(yīng)過程只受到電荷轉(zhuǎn)移過程控制。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為溫度升高，溶液中溶解氧的擴散加速，電極表面的反應(yīng)物相對充分，因此傳質(zhì)過程不再是電極反應(yīng)的控制過程。依據(jù)圖4（a）的曲線擬合得到相應(yīng)的腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Jcorr，如圖4（b）所示。顯然，隨著溫度的升高，Ecorr降低，Jcorr增加，表明其耐蝕性降低。且Ecorr在40 ℃時降低了近200 mV，而Jcorr在該溫度下增加了近3倍，變化都極為顯著，表明40 ℃是42CrMo軸承鋼電極反應(yīng)過程控制因素發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界溫度。 

圖  4  42CrMo軸承鋼在不同溫度下的極化曲線和電化學(xué)參數(shù)

Figure  4.  Polarization curves (a) and fitted electrochemical parameters (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures

2.2   浸泡時間對42CrMo鋼電化學(xué)性質(zhì)的影響

圖5為不同浸泡時間后42CrMo鋼的OCP曲線及其穩(wěn)定值。由圖5（a）可知，不同浸泡時間后，OCP均呈現(xiàn)先降低后逐漸穩(wěn)定的趨勢。隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼的OCP從最初的-585 mV快速降低至-632 mV，隨后降低幅度逐漸減小。OCP的變化說明隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼的耐蝕性逐漸降低。 

圖  5  42CrMo軸承鋼在不同浸泡時間下的OCP曲線及其穩(wěn)定值

Figure  5.  OCP curves (a) and stability values (b) of 42CrMo bearing steel at different periods of immersion time

不同浸泡時間下，42CrMo鋼的EIS曲線如圖6所示。在30 d的浸泡周期下，42CrMo鋼的Nyquist曲線都呈現(xiàn)出一個典型的容抗弧，且隨著浸泡時間的延長，容抗弧的半徑明顯減小，說明電極反應(yīng)的阻力減小，瞬時的腐蝕速率增加。各浸泡時間條件下，相位角在中低頻區(qū)域出現(xiàn)了較寬的峰，且隨著浸泡時間的延長，最大峰值處對應(yīng)的頻率越來越小。根據(jù)前人文獻報道[21-22]，選用圖6（a）中的等效電路對EIS曲線進行擬合，等效電路中各元件的含義與上述圖3（a）中一致。利用該等效電路擬合得到的電化學(xué)參數(shù)見表3。由表3可知，浸泡初期42CrMo鋼的Rct較大，即電荷轉(zhuǎn)移過程困難，耐蝕性較好；隨著浸泡時間的延長，Rct快速降低，浸泡30 d時，Rct僅為1 219 Ω·cm2。相比之下，隨著浸泡時間的延長，試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜電阻Rf逐漸增加，說明腐蝕產(chǎn)物膜的積累逐漸提高了其保護性。但相比于Rct的降低幅度，Rf的增幅極小，Rf值始終低于40 Ω·cm2。由此可知，表面腐蝕產(chǎn)物膜提供的保護性不足以彌補其自身電荷轉(zhuǎn)移阻力的損失，42CrMo鋼的耐蝕性隨著浸泡時間的延長而降低。 

圖  6  42CrMo軸承鋼在不同浸泡時間下的Nyquist和Bode圖

Figure  6.  Nyquist plots (a) and Bode plots (b) of 42CrMo bearing steel at different periods of immersion time

圖7對比了浸泡0 d和30 d后42CrMo軸承鋼的動電位極化曲線。由該圖可知，浸泡0 d時，陽極過程以活化溶解為主，陰極出現(xiàn)了吸氧反應(yīng)和氧擴散過程。而浸泡30 d后，42CrMo鋼的陽極出現(xiàn)了一個近似鈍化的特征，但該區(qū)域的電流密度較高，且鈍化區(qū)間的電位相對較負(fù)，為-0.6~-0.9 V，一般認(rèn)為這是由于表面腐蝕產(chǎn)物膜提供的阻力。通過擬合分析，得到了不同浸泡時間下42CrMo鋼的Ecorr和Jcorr，浸泡0 d時，42CrMo鋼的Ecorr為-485.16 mV，Jcorr為-2.75 μA/cm2；而浸泡30 d時，Ecorr迅速降低至-966.30 mV，降幅近500 mV，而Jcorr迅速升高至34.80 μA/cm2，增幅近15倍。Ecorr和Jcorr的變化也證實隨著浸泡時間的延長，42CrMo鋼的電化學(xué)活性顯著增加，而耐蝕性則大大降低。 

圖  7  42CrMo軸承鋼浸泡0 d和30 d后的極化曲線和擬合的電化學(xué)參數(shù)

Figure  7.  Polarization curves and fitted electrochemical parameters of 42CrMo bearing steel immersed for 0 d and 30 d

2.3   浸泡時間對42CrMo鋼腐蝕形貌的影響

圖8為42CrMo鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間后的表面腐蝕形貌。由圖可知，浸泡3 d時，42CrMo鋼表面的局部位置已經(jīng)出現(xiàn)紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，且表現(xiàn)出點狀腐蝕特征；隨著浸泡時間的延長，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，產(chǎn)物覆蓋面積增大，且產(chǎn)物顏色由紅褐色或褐色逐漸轉(zhuǎn)變成黃褐色，說明其腐蝕產(chǎn)物以Fe的氧化物為主。去除腐蝕產(chǎn)物后，42CrMo鋼的表面形貌見圖9，可見42CrMo鋼表面以局部腐蝕特征為主，伴隨明顯的點蝕坑。腐蝕初期，如浸泡3 d時，表面的點蝕坑尺寸較小，數(shù)量也較少，但隨著浸泡時間的延長，點蝕坑數(shù)量逐漸增多，且點蝕坑直徑變大，深度加深。這一形貌特征變化說明42CrMo鋼的局部腐蝕隨浸泡時間的延長逐漸加重。 

圖  8  42CrMo軸承鋼浸泡不同時間后的表面形貌

Figure  8.  Surface morphology of 42CrMo bearing steel after immersion for different periods of time

圖  9  42CrMo軸承鋼浸泡不同時間后去除腐蝕產(chǎn)物的表面形貌

Figure  9.  Surface morphology of 42CrMo bearing steel after removing the corrosion products after immersion for different periods of time

3.   結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，42CrMo軸承鋼在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)活性增加，電荷轉(zhuǎn)移電阻減小，腐蝕電流密度增大，腐蝕電位降低，且在40 ℃附近出現(xiàn)了電極反應(yīng)控制過程的轉(zhuǎn)變，表明其耐蝕性顯著降低。 

（2）在3.5%NaCl溶液中，隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼腐蝕產(chǎn)物膜的保護性有所增強，但其電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著降低，腐蝕電流密度增大，表明42CrMo軸承鋼的耐蝕性有所降低。 

（3）42CrMo軸承鋼在3.5%NaCl溶液中以局部腐蝕為主，隨著浸泡時間的延長，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，表面腐蝕坑數(shù)量和尺寸均增大。

文章來源——材料與測試網(wǎng)