技術(shù)前沿 | 風(fēng)電軸承的激光復(fù)合強化研究進展

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，對于實現(xiàn)低碳能源體系轉(zhuǎn)型、早日達到“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。如今，海上風(fēng)電成為各國競相發(fā)展的重點。而我國大型海上風(fēng)電主軸軸承主要依賴進口。面向大型風(fēng)電軸承高質(zhì)量表面強化的重大需求，本文主要介紹激光復(fù)合表面強化技術(shù)在高端重載軸承制造中的應(yīng)用，分析了其組織、性能的調(diào)控方法，通過能場復(fù)合實現(xiàn)軸承滾道的高性能表面強化，推動我國海上風(fēng)電主軸軸承的國產(chǎn)化進程。

研究背景

目前，中國再生能源規(guī)模穩(wěn)居世界第一，綠色能源正駛?cè)氚l(fā)展快車道。在“雙碳”戰(zhàn)略的推動下，能源結(jié)構(gòu)面臨進一步的轉(zhuǎn)型升級。風(fēng)能作為一種清潔無公害的可再生能源，已經(jīng)成為發(fā)電行業(yè)碳減排和實現(xiàn)低碳能源體系轉(zhuǎn)型的重要途徑。

風(fēng)電軸承作為風(fēng)力發(fā)電機的核心部件，主要包括主軸軸承、變槳軸承、偏航軸承、發(fā)電機軸承和齒輪箱軸承等，其制造流程涵蓋鋼材元素配分設(shè)計、鍛造粗加工、熱處理、精加工、表面處理和質(zhì)量控制與測試。其中，軸承的表面處理是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。海上風(fēng)電軸承的服役條件非常惡劣，?需要承受交變重載、?高濕度、高溫差、長期服役等極端環(huán)境因素帶來的挑戰(zhàn)，并且對裝載要求很高，單次裝吊成本需要幾百萬元。鑒于此，海上風(fēng)電軸承必須具備強化層深度大、耐磨性能好、變形小、強韌性好、疲勞壽命長等特點，設(shè)計壽命通常在20年以上，對軸承表面性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。提高風(fēng)電軸承表面耐磨性、抗沖擊、抗接觸疲勞性能是保障風(fēng)力發(fā)電機組長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1.風(fēng)力發(fā)電機軸承示意圖

當(dāng)前，我國風(fēng)電軸承行業(yè)在政策支持下取得了顯著進展，?特別是在偏航、?變槳軸承的國產(chǎn)化方面，?已經(jīng)實現(xiàn)了批量規(guī)?；a(chǎn)。然而，主軸軸承因為技術(shù)壁壘較高，高端領(lǐng)域的大功率主軸軸承嚴(yán)重依賴進口，國產(chǎn)化面臨挑戰(zhàn)。

風(fēng)電軸承的現(xiàn)有表面處理方法主要包括滲氮處理和感應(yīng)淬火等，這些工藝均存在一定程度的局限性。其中，滲氮處理存在著能耗大、成本高、周期長以及性能提升有限等限制。感應(yīng)淬火則呈現(xiàn)熱輸入較大引起的熱變形、有軟帶導(dǎo)致軸承力學(xué)性能不達標(biāo)以及設(shè)備復(fù)雜等工藝弊端。

激光表面強化作為一種先進的表面改性技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域。隨著激光器持續(xù)呈現(xiàn)多類型、大功率、國產(chǎn)化、低成本等趨勢，以及光學(xué)處理技術(shù)和系統(tǒng)的快速發(fā)展，激光表面強化技術(shù)逐步從實驗室走向工程應(yīng)用，可實現(xiàn)高效定制化制造。激光熱處理將成為下一個激光制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的爆發(fā)點。

 然而，激光熱處理工藝同樣存在不可忽視的局限性。第一，強化深度有限。常規(guī)激光淬火的硬化層深度在2mm以內(nèi)，不適用于重載等工況，而風(fēng)電軸承的國家標(biāo)準(zhǔn)要求淬火硬化層深度達到5mm以上，以確保軸承在承受重載時具有足夠的硬度、耐磨性和安全性，滿足高負(fù)荷條件下的使用要求。第二，組織調(diào)控有限。激光淬火基于單一的馬氏體相變原理，產(chǎn)生高硬馬氏體組織，對于高碳合金鋼等材料，激光淬火后形成的針狀馬氏體脆性較大，難以實現(xiàn)強韌兼具，容易開裂。在這種情況下，激光復(fù)合強化技術(shù)應(yīng)運而生。

激光復(fù)合強化技術(shù)研究進展

激光復(fù)合強化技術(shù)成為現(xiàn)代高端裝備制造領(lǐng)域表面改性的主要發(fā)展趨勢之一，包含多種復(fù)合方式，即多熱源（多激光、?激光與感應(yīng)、?激光與等離子、激光與電?。?、多能場（激光+電磁場復(fù)合、激光+超聲能場復(fù)合、激光+電化學(xué)復(fù)合等）、多工藝（激光與滲碳、滲氮、沖擊、滾壓復(fù)合等），激光與至少一種其它熱源/能場/工藝相互作用參與同一加工過程，并改變材料表面性能，產(chǎn)生比單種方法更優(yōu)（質(zhì)量、效率、成本等）的加工效果。

近年來，浙江工業(yè)大學(xué)在激光復(fù)合強化技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研發(fā)工作并取得了持續(xù)的突破和創(chuàng)新。筆者所在課題組提出了面向大型風(fēng)電軸承的激光復(fù)合強化技術(shù)，攻克了其變形、深度、軟帶、性能等問題，致力于打破國外技術(shù)封鎖，助力實現(xiàn)重載軸承國產(chǎn)化。

激光-電磁感應(yīng)復(fù)合深層強化

將激光熱處理與電磁感應(yīng)加熱進行同步復(fù)合，能夠精確控制加熱過程與冷卻過程，適當(dāng)增加碳擴散時間，使熱量更有效地向深層位置傳導(dǎo)，從而提高淬火深度，可解決常規(guī)單一激光淬火的深度有限、組織無法調(diào)控、強韌難以兼具等難題，在已成為復(fù)雜工況下高端裝備關(guān)鍵部件的高性能表面制造的核心技術(shù)，為激光熱處理的大范圍工業(yè)應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。激光-電磁感應(yīng)復(fù)合深層強化能夠滿足風(fēng)電軸承重載、磨損、交變載荷、長壽命等方面的性能要求。這種復(fù)合強化工藝重點要解決的問題包括雙熱源的耦合匹配、晶粒大小調(diào)控、工藝-溫度場的本構(gòu)關(guān)系建立以及淬硬層形狀和性能的精確調(diào)控。

圖2. 激光-電磁感應(yīng)復(fù)合強化裝置示意圖

      對此，課題組開展了相關(guān)的實驗，研究了不同的感應(yīng)線圈復(fù)合淬火的溫度場分布。不同光斑能量分布、不同光斑尺寸對強化效果的影響，以及如何獲得近平底型輪廓等。通常情況下，激光淬火產(chǎn)生的強化層輪廓呈現(xiàn)月牙型（中間深，兩側(cè)淺），導(dǎo)致強化層不均勻；而在優(yōu)化的激光光斑作用下，強化層呈現(xiàn)近平底型輪廓，強化層均勻性大幅提升。

      常規(guī)激光淬火深度小于2mm，感應(yīng)淬火熱變形大、存在軟帶。而激光-電磁感應(yīng)復(fù)合深層強化可突破單一激光固態(tài)相變強化深度的極限技術(shù)，目前深度可達6.3mm，變形小，無軟帶，硬度為HRC 58-62。同時，復(fù)合淬火較激光淬火和感應(yīng)淬火等手段大幅提高了材料表面的耐磨性。目前，筆者所在課題組正朝著強化深度7mm-8mm的目標(biāo)持續(xù)攻關(guān)。

圖3. 相較激光淬火和感應(yīng)淬火，復(fù)合淬火方式大幅提高了材料表面的耐磨性

大型風(fēng)電軸承深層強化應(yīng)力應(yīng)變分析和應(yīng)用驗證

針對風(fēng)電軸承建立了激光復(fù)合強化過程中的應(yīng)力應(yīng)變模型，分析了應(yīng)力應(yīng)變情況。軸承外圈經(jīng)過激光-感應(yīng)復(fù)合淬火后，軸向最大變形為0.0495mm，徑向最大變形為0.2201mm；軸承內(nèi)圈的軸向最大變形為0.1715mm，徑向最大變形為0.0973mm。軸承外圈經(jīng)過激光-感應(yīng)復(fù)合淬火后，硬化層局部變形為膨脹，軸承外圈整體向內(nèi)收縮變形；軸承內(nèi)圈經(jīng)過激光-感應(yīng)復(fù)合淬火后，除整體向內(nèi)收縮外，軸承的外側(cè)還發(fā)生了翹曲變形。對3.3m直徑的軸承進行整圈強化后，實測變形量可控制在0.08mm。

圖4.  軸承套圈應(yīng)力應(yīng)變模擬結(jié)果

      課題組開展的激光-電磁場復(fù)合深層強化工藝使用了15kW大功率半導(dǎo)體激光器，搭配定制化的大光斑（160mm寬），對風(fēng)電軸承的內(nèi)外圈滾道進行一次性強化處理，目前已經(jīng)通過臺架試驗，推動了大型風(fēng)電主軸軸承的國產(chǎn)化進程。后續(xù)還要經(jīng)過大量反復(fù)的優(yōu)化和驗證工作，以實現(xiàn)大批量應(yīng)用。

激光-電磁場復(fù)合實現(xiàn)高性能熔覆

隨著風(fēng)電軸承功率越來越高，國產(chǎn)16兆瓦、20兆瓦的樣機已陸續(xù)推出，但使用的軸承很多仍為進口產(chǎn)品。由于風(fēng)電滾動軸承的成本高、徑承載力不足，并且依賴進口。相較之下，風(fēng)電滑動軸承的承載能力更強，更能適應(yīng)海上作業(yè)時復(fù)雜惡劣的工況，成本較滾動產(chǎn)品可大幅降低，且結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)國產(chǎn)化制造，軸承“以滑代滾”已然成為新趨勢。

毋庸置疑，大功率海上風(fēng)機對滑動軸承的表面改性技術(shù)提出了很高的要求，需制備致密度高、性能優(yōu)異的強化層。

風(fēng)電滑動軸承的性能需求包括低摩擦系數(shù)、?良好的導(dǎo)熱性、?耐酸性腐蝕、?高耐磨性、較小的熱膨脹系數(shù)和高機械強度等。?這些性能要求確保了軸承能夠在極端的工作環(huán)境下長時間穩(wěn)定運行，?減少維護需求，?提高設(shè)備的使用壽命和效率。?由于銅合金具有優(yōu)異的耐磨減摩、耐腐蝕等性能，激光熔覆銅合金是風(fēng)電滑動軸承表面性能提升的有效途徑。

圖5.滑動軸承各種失效形式

由于銅合金材料的反射率高，銅合金與軸承基體的熱物性參數(shù)差別較大，激光熔覆時容易產(chǎn)生氣孔。目前不少風(fēng)機軸承配套廠家也在開展相應(yīng)的激光熔覆工藝研究，但氣孔問題仍比較明顯。對此，課題組采用激光-電磁場復(fù)合熔覆技術(shù)后，利用熔池中的帶電粒子與交變磁場作用產(chǎn)生的洛倫茲力對熔覆層內(nèi)氣體運動與逸出行為進行調(diào)控，獲得高致密涂層。

圖6.  激光-電磁場復(fù)合熔覆裝置示意圖

在氣孔調(diào)控方面，電磁場復(fù)合激光熔覆工藝可以高效排出熔覆過程中由于空心粉、外界氣體引入和材料內(nèi)部反應(yīng)析出的各類氣孔。課題組建立了相應(yīng)數(shù)值模型，研究了電磁場復(fù)合下激光熔覆過程中氣泡在不同位置及不同洛倫茲力作用下的軌跡。通過模擬，熔覆層孔隙率可下降75.71%。通過實驗驗證，電磁場作用下的試樣孔隙率減少了60.8%-80.3%。

圖7.   氣泡在熔池不同位置及不同洛倫茲力作用下的軌跡 (a)前部（b）中部（c）后部

為改善銅合金與軸承基體的浸潤性，進一步提高熔覆層的性能，課題組采用添加適量過渡層的方法進一步控性。實驗證明，添加過渡層后的涂層結(jié)合良好，涂層中組織不含富鐵相，主要由富銅基體相和富錫、鎳的島狀析出相組成，添加過渡層同時也避免了硬度的急劇變化。在電磁場和過渡層的共同作用下，孔隙率進一步降低。

圖8.熔覆層元素分布（左圖為無過渡層，右圖為有過渡層）

圖9.  電磁場和過渡層對熔覆層氣孔的影響（1）無電磁場和過渡層  （2）添加電磁場和過渡層

技術(shù)展望

綜上所述，多熱源、多能場和多工藝的激光復(fù)合強化技術(shù)是風(fēng)電軸承滾道表面性能提升的理想解決方案。然而，該技術(shù)的持續(xù)開拓和發(fā)展方面還是面臨著不可小覷的挑戰(zhàn)，需要進一步探索相應(yīng)的機理與工藝。

第一是非平衡作用機理，包括激光與感應(yīng)復(fù)合、電磁場復(fù)合等之間耦合的機理問題；第二是關(guān)鍵部位選區(qū)性強化及其調(diào)控方案，要深入研究如何實現(xiàn)零部件強化工藝的最優(yōu)化定制，如何更精準(zhǔn)地調(diào)控晶粒、缺陷和性能；第三是多能量場/多工藝協(xié)同控制方法，研發(fā)復(fù)合工藝及智能化激光復(fù)合強化專用裝備，實現(xiàn)工藝高度可控；最后是針對風(fēng)電軸承的接觸疲勞性能、壽命預(yù)測和臺架試驗等開展更多高可靠的性能驗證。

本文作者：張群莉 | 浙江工業(yè)大學(xué)激光先進制造研究院副院長、教授

內(nèi)容來源：《中國激光界》2024.9月刊

投稿郵箱：yoyoxie@chinalaser.org

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