分享：海上風(fēng)機(jī)螺栓用鋼的腐蝕及疲勞行為

風(fēng)能是清潔的可再生能源,大力發(fā)展風(fēng)電,是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)、改善全球氣候目標(biāo)的有效途徑[1-2]。相對(duì)于陸上風(fēng)能,海上風(fēng)能儲(chǔ)存量更大、分布更廣；而且,開(kāi)發(fā)海上風(fēng)能對(duì)人們的居住和生產(chǎn)環(huán)境的影響較小[3-4]。然而,海上氣候較為惡劣,高濕度和高氯含量給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)很大的安全隱患[5]。螺栓是影響風(fēng)電機(jī)組安全和壽命的關(guān)鍵零件。通常情況下,一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組有數(shù)百個(gè)螺栓用以連接葉片、機(jī)架、塔筒、主軸、輪轂這些關(guān)鍵零部件[6-7]。海上高濕度和高濃度氯離子的環(huán)境對(duì)螺栓有很強(qiáng)的腐蝕作用。螺栓腐蝕會(huì)直接影響風(fēng)電機(jī)組的安全和壽命。 

42CrMoA是一種中碳低合金鋼,具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性[8-9]。它是制造大規(guī)格海洋風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度螺栓的典型材料。在海洋環(huán)境中,42CrMoA鋼的耐蝕性很差[10]。雖然,大多數(shù)螺栓都通過(guò)表面處理或防護(hù)涂層等方法進(jìn)行了防腐蝕處理,但如果防護(hù)層消耗完,或者在螺栓安裝及檢修過(guò)程中防護(hù)層磕碰損傷,螺栓基體就會(huì)與腐蝕環(huán)境接觸而發(fā)生腐蝕。腐蝕會(huì)減少螺栓的截面積,導(dǎo)致表面粗糙度增加,顯著影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[11]。海洋風(fēng)電機(jī)組中螺栓主要處在浪花飛濺區(qū)和大氣區(qū),目前關(guān)于10.9級(jí)螺栓在該環(huán)境中的腐蝕行為,以及腐蝕之后疲勞開(kāi)裂行為的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。 

因此,作者通過(guò)干濕交替的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)?zāi)M海上浪花飛濺和霧氣繚繞的惡劣環(huán)境,對(duì)42CrMoA鋼進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),用掃描電子顯微鏡觀察腐蝕產(chǎn)物并用能譜儀檢測(cè)其元素組成,用光學(xué)輪廓儀表征腐蝕坑形貌,并用原位疲勞試驗(yàn)機(jī)研究腐蝕后的疲勞裂紋擴(kuò)展,分析腐蝕坑對(duì)疲勞開(kāi)裂的影響。研究結(jié)果對(duì)評(píng)估海上風(fēng)電螺栓壽命和提高風(fēng)電機(jī)組安全具有實(shí)際意義。 

1.   試驗(yàn)

1.1   試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為42CrMoA鋼,從10.9級(jí)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)用螺栓上切下尺寸為15 mm×10 mm×3 mm的試樣。使用800~2000號(hào)砂紙逐級(jí)打磨試樣表面,之后進(jìn)行機(jī)械拋光,使試樣表面粗糙度低于0.025 μm。最后,用無(wú)水乙醇對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行清潔和脫脂處理,并充分干燥。 

1.2   鹽霧試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 24195－2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤(rùn)”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的方法B,采用Q-FOG CCT型循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)。一個(gè)循環(huán)周期的試驗(yàn)參數(shù)為：鹽霧階段1 h,溫度35 ℃,pH 2.5,鹽溶液沉降率（80 cm2試樣表面）為（1.5±0.2）mL/h；干燥階段4 h,溫度60 ℃,相對(duì)濕度（RH）小于30%；濕潤(rùn)階段3 h,溫度40 ℃、相對(duì)濕度（85±5）%。在試驗(yàn)箱中一次放入多個(gè)試樣,每隔一段時(shí)間取出一個(gè)試樣,取樣周期為8、16、24、48、72、96、168、240 h。 

1.3   腐蝕產(chǎn)物和形貌觀察

用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同鹽霧時(shí)間段的腐蝕產(chǎn)物,并用其配備的能譜儀（EDS）對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析。 

根據(jù)GB/T 16545－2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》清除腐蝕產(chǎn)物：取50 mL鹽酸,0.35 g六次甲基四胺,加蒸餾水配制成100 mL溶液,在25 ℃水浴環(huán)境中振蕩10 min去除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物。對(duì)除銹后試樣進(jìn)行清洗、干燥、稱量,采用失重法計(jì)算腐蝕速率,如式（1）所示。

式中：v為腐蝕速率,mm/a；m0為腐蝕前試樣質(zhì)量,mg；m1為腐蝕除銹后試樣質(zhì)量,mg；ρ為材料密度,g/cm3；S為試樣腐蝕暴露的表面積,mm2；t為腐蝕時(shí)間,h。 

在清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物后,使用MicroXAM 3D型三維共聚焦表面形貌儀表征腐蝕坑形貌,掃描視場(chǎng)范圍為3.5 mm×2.5 mm。 

1.4   原位疲勞試驗(yàn)

為了研究腐蝕坑對(duì)疲勞開(kāi)裂的影響,用掃描電鏡與伺服液壓疲勞裝置相結(jié)合的原位觀察疲勞試驗(yàn)機(jī),在室溫下對(duì)鹽霧腐蝕240 h后42CrMoA鋼試樣進(jìn)行原位疲勞試驗(yàn)。疲勞試樣的尺寸如圖1所示,兩端夾持部位用防銹膠帶纏繞保護(hù),露出標(biāo)距段。鹽霧腐蝕和除銹方法同1.2節(jié)。在疲勞試驗(yàn)中,應(yīng)力控制方案為：最大應(yīng)力σmax為910 MPa,應(yīng)力比r為0.3,正弦波加載,工作頻率為8 Hz,動(dòng)態(tài)觀察頻率為0.01 Hz。為有效追蹤裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程,在500~1 000倍放大倍數(shù)下原位觀察試樣表面裂紋形貌。 

圖  1  疲勞試樣尺寸

Figure  1.  Dimensions of fatigue specimen

2.   結(jié)果與討論

2.1   腐蝕產(chǎn)物

圖2為42CrMoA鋼在循環(huán)鹽霧腐蝕初期階段的產(chǎn)物形貌。結(jié)果表明：鹽霧腐蝕8 h后,42CrMoA鋼表面已全部被褐色腐蝕物覆蓋,但分布并不均勻,如圖2（a）所示,在掃描電子顯微鏡下,可以看到很多大小不一的疏松顆粒,如圖2（d）所示；當(dāng)鹽霧腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至24 h時(shí),42CrMoA鋼的腐蝕更嚴(yán)重一些,不規(guī)則顆粒狀腐蝕產(chǎn)物增多,顆粒尺寸也更大,如圖2（b）,（e）所示；當(dāng)鹽霧腐蝕48 h后,腐蝕顆粒的堆集逐漸致密,有發(fā)展為層片狀的趨勢(shì),但仍然存在間隙。 

圖  2  鹽霧腐蝕8~48 h后42CrMoA鋼表面的腐蝕形貌

Figure  2.  Surface morphology of 42CrMoA steel after salt spray testing for 8－48 hours: (a) 8 h, macro morphology; (b) 24 h, macro morphology; (c) 48 h, macro morphology; (d) 8 h, micro morphology; (e) 24 h, micro morphology; (f) 48 h, micro morphology

圖3為42CrMoA鋼鹽霧腐蝕較長(zhǎng)時(shí)間（96~240 h）后的形貌。結(jié)果表明：鹽霧腐蝕96 h后,42CrMoA鋼表面顆粒狀腐蝕產(chǎn)物逐漸堆積成片,但腐蝕產(chǎn)物層在基體表面附著不牢固,很容易脫落；在鹽霧腐蝕168 h后,42CrMoA鋼腐蝕非常嚴(yán)重,產(chǎn)物已形成厚實(shí)的片狀,局部腐蝕產(chǎn)物與基體分離,表面起伏不平,銹層上存在著裂紋,如圖3（e）中的箭頭所示；當(dāng)鹽霧腐蝕240 h后,銹層變得更厚,裂紋變得更寬、更深,在局部剝落的銹層下可觀察到緊密排列的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物。 

圖  3  鹽霧腐蝕96~240 h后42CrMoA鋼表面的腐蝕形貌

Figure  3.  Surface morphology of 42CrMoA steel after salt spray testing for 96－240 hours: (a) 96 h, macro morphology; (b) 168 h, macro morphology; (c) 240 h, macro morphology; (d) 96 h, micro morphology; (e) 168 h, micro morphology; (f) 240 h, micro morphology

圖4和5為鹽霧腐蝕24 h和240 h后42CrMoA鋼表面腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果?？梢钥吹?Fe、O元素在鹽霧腐蝕24 h和240 h的腐蝕產(chǎn)物中存在明顯富集現(xiàn)象；Cl元素在鹽霧腐蝕24 h后的腐蝕產(chǎn)物中只存在少量,而在鹽霧腐蝕240 h后試樣的整個(gè)視場(chǎng)均有體現(xiàn),這說(shuō)明鹽霧腐蝕時(shí)間越長(zhǎng),Cl元素的沉積越明顯。研究表明,Cl－由于具有較高的電導(dǎo)率和較強(qiáng)的穿透力而誘發(fā)、活化并促進(jìn)42CrMoA鋼表面發(fā)生點(diǎn)蝕[12-13]。同時(shí),從襯度上看到,腐蝕產(chǎn)物中Fe、Mo元素含量隨著鹽霧時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。 

圖  4  鹽霧腐蝕24 h后42CrMoA鋼表面腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果

Figure  4.  EDS analysis results of corrosion products on 42CrMoA steel surface after salt spray testing for 24 h

圖  5  鹽霧腐蝕240 h后42CrMoA鋼表面腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果

Figure  5.  EDS analysis results of corrosion products on 42CrMoA steel surface after salt spray testing for 240 h

2.2   腐蝕速率

圖6為42CrMoA鋼在鹽霧腐蝕期間的質(zhì)量損失和腐蝕速率。根據(jù)式（2）對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。 

式中：M為腐蝕后單位面積試樣的質(zhì)量損失,mg/cm2；A為常數(shù)；n為反映金屬腐蝕趨勢(shì)的常數(shù)。 

圖  6  在鹽霧腐蝕期間42CrMoA鋼的質(zhì)量損失和腐蝕速率

Figure  6.  Mass loss curve (a) and corrosion rate curve (b) of 42CrMoA steel in salt spray testing

擬合后方程如式（3）所示,回歸系數(shù)R2為0.996 8,符合冪函數(shù)規(guī)律[14-15]。 

由圖6可見(jiàn),42CrMoA鋼的鹽霧腐蝕可分為兩個(gè)階段。第一階段（0~48 h）為腐蝕前期,此階段腐蝕較快,隨著鹽霧腐蝕的進(jìn)行,腐蝕速率逐漸降低；當(dāng)鹽霧腐蝕持續(xù)到48 h時(shí),42CrMoA鋼的質(zhì)量損失為8.9 mg/cm2,腐蝕速率為2.07 mm/a。第二階段（48~240 h）為腐蝕的中后期,此階段腐蝕速率趨于平緩,特別是鹽霧腐蝕96 h后；這是因?yàn)樵邴}霧腐蝕前期,表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物疏松且分散,不能有效阻止腐蝕性離子對(duì)試樣的腐蝕,而隨著鹽霧腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng),腐蝕產(chǎn)物堆集成層,減緩了腐蝕速率[16]。 

2.3   腐蝕坑形貌

圖7為42CrMoA鋼鹽霧腐蝕不同時(shí)間后表面3D形貌和深度曲線。鹽霧腐蝕24 h后,試樣表面存在較明顯的腐蝕坑,而其四周則較為平整,為未腐蝕的基體。圖7（b）是圖7（a）中箭頭所指路徑的深度曲線,可以看到腐蝕坑的最深處有13.6 μm。鹽霧腐蝕48 h后,表面粗糙區(qū)域增大,腐蝕坑加深變寬,最深處為24.2 μm。鹽霧腐蝕96 h后,腐蝕坑最深處已經(jīng)有37.2 μm,試樣表面全部被腐蝕。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),腐蝕坑深度加深,鹽霧腐蝕240 h后,凹坑最大深度為90.4 μm。這說(shuō)明,在干濕交替的鹽霧腐蝕環(huán)境中,42CrMoA鋼的腐蝕并不是均勻的,而是形成許多點(diǎn)蝕坑。 

圖  7  鹽霧腐蝕不同時(shí)間后42CrMoA鋼表面的3D形貌和深度曲線

Figure  7.  3D morphology (a,c,e,g,i) and depth curves (b,d,f,h,j) of 42CrMoA steel surface after salt spray corrosion for different periods of time

對(duì)圖7中表面粗糙度（Ra）和腐蝕坑最大深度（D）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖8所示,并且擬合得到它們與腐蝕時(shí)間之間的關(guān)系,如式（4）和式（5）所示。 

圖  8  42CrMoA鋼鹽霧不同時(shí)間后表面粗糙度及最大腐蝕坑深度

Figure  8.  Surface roughness (a) and maximum corrosion pit depth (b) of 42CrMoA steel after salt spray corrosion for different periods of time

2.4   疲勞裂紋形貌

對(duì)鹽霧腐蝕240 h的疲勞試樣進(jìn)行原位觀察疲勞試驗(yàn),觀察疲勞微裂紋的萌生和擴(kuò)展。42CrMoA鋼表面裂紋的萌生擴(kuò)展情況如圖9所示。加載前,試樣表面存在大量由鹽霧腐蝕產(chǎn)生的腐蝕坑,試樣表面并不平整。在疲勞試驗(yàn)中,當(dāng)循環(huán)加載24 267周次時(shí),多條微裂紋自腐蝕坑缺口處成核,如圖9（a）所示；隨后,這些初生的微裂紋在交變載荷的作用下不斷擴(kuò)展與合并,形成了兩條尺寸較長(zhǎng)的新裂紋,如圖9（b）所示。當(dāng)循環(huán)加載35 840周次時(shí),這兩條裂紋相互合并成為一條長(zhǎng)裂紋,且沿著裂紋尖端向前擴(kuò)展,如圖9（c）所示。 

圖  9  42CrMoA鋼中疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展

Figure  9.  Initiation and propagation of fatigue cracks in 42CrMoA steel

2.5   討論

眾多研究表明[17-18],在含有Cl－的環(huán)境中,碳鋼的腐蝕包括不同階段的多反應(yīng)步驟。而42CrMoA鋼在海洋鹽霧環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物主要為γ-FeOOH、β-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3、α-FeOOH。 

在鹽霧環(huán)境中,由于存在較多的Cl－,金屬基體和腐蝕產(chǎn)物界面會(huì)生成部分FeOCl,其水解則會(huì)生成黃褐色球形團(tuán)簇狀的腐蝕產(chǎn)物β-FeOOH。β-FeOOH的形成需要Cl－為其提供結(jié)構(gòu)支撐,其晶體結(jié)構(gòu)可容納Cl－,這也是β-FeOOH通常在濕度較大且富含Cl－的環(huán)境中才容易形成的原因[19]。因此,β-FeOOH是鹽霧環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物演化的關(guān)鍵物質(zhì)[20]。 

高含Cl－環(huán)境也會(huì)促使γ-FeOOH、β-FeOOH向紅褐色層片狀的α-FeOOH轉(zhuǎn)化,從而使銹層的密度提高。α-FeOOH是室溫下穩(wěn)定性最好的羥基氧化鐵,通常作為鐵氧化物轉(zhuǎn)化的最終形態(tài),其在42CrMoA鋼表面逐漸形成連續(xù)、均勻的銹層,對(duì)腐蝕具有一定的減緩作用[21]。 

鹽霧環(huán)境中Cl－的存在使試樣表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕,從而導(dǎo)致零件橫截面積減小且產(chǎn)生應(yīng)力集中,這將大幅度縮短裂紋萌生的啟動(dòng)時(shí)間。在交變載荷的工況下,疲勞裂紋率先從表面缺陷處萌生。由于工件表面的缺陷較多,多裂紋的擴(kuò)展融合也會(huì)導(dǎo)致工件疲勞壽命大幅度縮減。 

3.   結(jié)論

通過(guò)干濕循環(huán)的鹽霧試驗(yàn)?zāi)M海洋浪花飛濺區(qū)和大氣區(qū)鹽霧環(huán)境,研究了42CrMoA鋼螺栓在該環(huán)境中的腐蝕行為,并利用原位觀察疲勞試驗(yàn)研究了腐蝕對(duì)疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展的影響。主要結(jié)論如下： 

（1）單位面積腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時(shí)間呈現(xiàn)冪函數(shù)規(guī)律,擬合方程為M=0.88t0.59；腐蝕速率呈現(xiàn)初期快,后期慢的特性。 

（2）42CrMoA鋼的鹽霧腐蝕是不均勻的,表面粗糙度與腐蝕時(shí)間之間呈線性關(guān)系,擬合方程為Ra=0.042t+1.42。 

（3）42CrMoA鋼表面的腐蝕坑促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,從而降低了疲勞壽命。

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