海上風(fēng)力發(fā)電不僅有助于減少對(duì)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(wèn)題，增強(qiáng)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(hù)難度和成本，尤其對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的金屬部件，如軸承、塔筒等[6-7]。隨著海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量增加，風(fēng)電機(jī)組的故障率和可靠性也越來(lái)越受到重視，其中軸承故障已經(jīng)成為影響風(fēng)電機(jī)組可靠性的關(guān)鍵[8]。 

軸承是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)軸承類故障占我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總故障的74%，而腐蝕因素占約40%，其中不乏運(yùn)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(jī)長(zhǎng)期停運(yùn)甚至提前報(bào)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(jī)軸承持續(xù)受到C4級(jí)及以上腐蝕性等級(jí)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(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)濕的多重作用[10-11]，腐蝕性等級(jí)達(dá)到甚至超過(guò)C5級(jí)。在工作狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)軸承還將承受機(jī)器運(yùn)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(jī)運(yùn)行時(shí)，艙內(nèi)溫度將隨著機(jī)器啟動(dòng)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(dòng)，最高可能達(dá)到80 ℃[14]。與此同時(shí)，軸承部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)還將承受高沖擊、振動(dòng)及徑向接觸應(yīng)力等載荷耦合作用，溫度場(chǎng)和力場(chǎng)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(qiáng)韌性、高的抗疲勞性和耐磨性等方面[15-17]，對(duì)其服役過(guò)程中的腐蝕問(wèn)題缺乏系統(tǒng)研判和機(jī)制認(rèn)識(shí)，使得海上風(fēng)電機(jī)組存在巨大安全隱患，這阻礙了我國(guó)風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。 

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

1.   試驗(yàn)

1.1   試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(guò)SiC砂紙逐級(jí)（至2000號(hào)）打磨，機(jī)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(guò)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(cè)試

選用傳統(tǒng)的三電極體系在CS350M電化學(xué)工作站上進(jìn)行電化學(xué)測(cè)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(duì)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(jí)（至1500號(hào)）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(cè)試溫度為25，30，40，50，60，70 ℃，測(cè)試時(shí)間分別為0，3，7，15，30 d。電化學(xué)阻抗譜（EIS）和極化曲線測(cè)試前，先開展至少20 min的開路電位（OCP）測(cè)試，以判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定。隨后，在不同條件下進(jìn)行EIS測(cè)試，擾動(dòng)電位為10 mV，測(cè)試頻率為0.01 Hz~100 k Hz。動(dòng)電位極化測(cè)試的電位掃描范圍為-0.4~0.5 V（相對(duì)于OCP），掃描速率為0.5 mV/s。 

1.3   浸泡試驗(yàn)

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(jí)（至1500號(hào)）打磨，置于3.5%NaCl溶液中分別浸泡3，7，15，30 d，試驗(yàn)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(duì)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(shí)，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(shí)，42CrMo鋼的OCP穩(wěn)定在約-0.7 V，相較于25 ℃時(shí)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(gè)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(gè)較寬的峰值范圍，根據(jù)文獻(xiàn)，可推斷影響該電極反應(yīng)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)可能有2個(gè)[18-19]。因此，本文選用圖3（a）中的等效電路圖對(duì)所得EIS曲線進(jìn)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(duì)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(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同溫度下42CrMo軸承鋼的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)（25~70 ℃），42CrMo軸承鋼的陽(yáng)極均表現(xiàn)為金屬失去電子的活化溶解過(guò)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(guò)程表現(xiàn)出氧擴(kuò)散的特征，說(shuō)明其電極反應(yīng)過(guò)程受到電荷轉(zhuǎn)移和傳質(zhì)過(guò)程的混合控制；而當(dāng)溫度升至40 ℃及以上時(shí)，陰極氧擴(kuò)散過(guò)程消失，其電極反應(yīng)過(guò)程只受到電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程控制。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)闇囟壬?，溶液中溶解氧的擴(kuò)散加速，電極表面的反應(yīng)物相對(duì)充分，因此傳質(zhì)過(guò)程不再是電極反應(yīng)的控制過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)間對(duì)42CrMo鋼電化學(xué)性質(zhì)的影響

圖5為不同浸泡時(shí)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(shí)間后，OCP均呈現(xiàn)先降低后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shuō)明隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，42CrMo軸承鋼的耐蝕性逐漸降低。 

圖  5  42CrMo軸承鋼在不同浸泡時(shí)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(shí)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(gè)典型的容抗弧，且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧的半徑明顯減小，說(shuō)明電極反應(yīng)的阻力減小，瞬時(shí)的腐蝕速率增加。各浸泡時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，最大峰值處對(duì)應(yīng)的頻率越來(lái)越小。根據(jù)前人文獻(xiàn)報(bào)道[21-22]，選用圖6（a）中的等效電路對(duì)EIS曲線進(jìn)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(guò)程困難，耐蝕性較好；隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，Rct快速降低，浸泡30 d時(shí)，Rct僅為1 219 Ω·cm2。相比之下，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜電阻Rf逐漸增加，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物膜的積累逐漸提高了其保護(hù)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(hù)性不足以彌補(bǔ)其自身電荷轉(zhuǎn)移阻力的損失，42CrMo鋼的耐蝕性隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 

圖  6  42CrMo軸承鋼在不同浸泡時(shí)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(duì)比了浸泡0 d和30 d后42CrMo軸承鋼的動(dòng)電位極化曲線。由該圖可知，浸泡0 d時(shí)，陽(yáng)極過(guò)程以活化溶解為主，陰極出現(xiàn)了吸氧反應(yīng)和氧擴(kuò)散過(guò)程。而浸泡30 d后，42CrMo鋼的陽(yáng)極出現(xiàn)了一個(gè)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(duì)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(guò)擬合分析，得到了不同浸泡時(shí)間下42CrMo鋼的Ecorr和Jcorr，浸泡0 d時(shí)，42CrMo鋼的Ecorr為-485.16 mV，Jcorr為-2.75 μA/cm2；而浸泡30 d時(shí)，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(shí)隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)間對(duì)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(shí)間后的表面腐蝕形貌。由圖可知，浸泡3 d時(shí)，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(diǎn)狀腐蝕特征；隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shuō)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(diǎn)蝕坑。腐蝕初期，如浸泡3 d時(shí)，表面的點(diǎn)蝕坑尺寸較小，數(shù)量也較少，但隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑數(shù)量逐漸增多，且點(diǎn)蝕坑直徑變大，深度加深。這一形貌特征變化說(shuō)明42CrMo鋼的局部腐蝕隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸加重。 

圖  8  42CrMo軸承鋼浸泡不同時(shí)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(shí)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(guò)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(shí)間的延長(zhǎng)，42CrMo軸承鋼腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性有所增強(qiáng)，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(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，表面腐蝕坑數(shù)量和尺寸均增大。

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