|
風電絕緣軸承表面防護膜的制備及其絕緣性能分析李全偉1,楊斌2,王海3,李永皓3,杜廣煜1 (1.東北大學 機械工程與自動化學院,沈陽 110819;2.沈陽飛機工業(集團)有限公司,沈陽 110000;3.沈陽樂貝真空技術有限公司,沈陽 110136)摘要:為提高風電絕緣軸承的力學性能和絕緣性能，延長其在復雜工況下的服役壽命，提出采用磁控濺射法在絕緣軸承陶瓷涂層表面沉積鎳膜。通過設計正交試驗分析了靶電流、負偏壓、濺射時間對鎳膜表面形貌的影響以及鍍膜對絕緣涂層表面粗糙度的影響，結果表明：隨靶電流和負偏壓增大，鎳膜表面質量提高；濺射時間對鎳膜表面質量影響較小，但會影響鎳膜厚度；鍍膜后表面粗糙度值降低；在靶電流為4 A，負偏壓為300 V，濺射時間為90 min時鎳膜表面光滑平整，連續性以及膜層致密性最優，為最佳工藝參數。在某風電軸承外表面制備鎳膜后，交流擊穿電壓由6 100 V提高至6 300 V，直流電阻由23 GΩ提高至95 GΩ，絕緣性能提高，說明該工藝的正確性。關鍵詞:滾動軸承;風力發電機;絕緣軸承;磁控濺射;鍍膜;表面粗糙度;絕緣性能近年來,風力發電作為一種綠色能源技術,受到了世界各國的廣泛關注,逐漸成為重要的新能源發電方式。隨裝機量增加,風電機組的故障和可靠性也越來越受重視,軸承作為風電機組的關鍵零部件,其可靠性將直接影響機組的服役壽命。電蝕是風電軸承的主要失效方式[1-4],為解決電蝕問題,常采用絕緣軸承阻斷軸電流[5-9],但存在以下問題:1)當絕緣涂層封孔不當,封孔劑未有效填充涂層孔隙時,外界的水分子和腐蝕雜質會通過孔隙進入涂層內部,涂層絕緣電阻下降[10-11],最終導致絕緣性能失效；2)絕緣軸承在運輸和安裝過程中受外界機械載荷的作用易使絕緣涂層產生裂紋損傷,涂層絕緣性能下降[12-13],且在極化作用下涂層中的電荷會聚集在缺陷處,導致缺陷處電壓升高,造成局部擊穿[14];3)在運行過程中受轉動軸的周期性振動和沖擊作用,絕緣軸承會與軸承座產生微動磨損,導致其絕緣性能以及機械穩定性降低[15]。綜上分析,有必要在絕緣涂層表面制備一層防護層來提高絕緣軸承的綜合服役性能。金屬鎳膜具有力學性能好、抗腐蝕、耐磨以及抗沖擊等優點,可以滿足絕緣軸承外層防護的需求[16]。濺射技術的基本原理是利用異常輝光放電產生的等離子體轟擊靶材表面物質來制備薄膜,磁控濺射較傳統濺射在效率上有顯著提升,具有沉積速率快,使用成本低等優勢,適合沉積導電性較好的金屬或合金靶材,是制備綜合性能優良的金屬薄膜的主要方法[17-18]。本文考慮利用磁控濺射技術在絕緣軸承陶瓷涂層表面制備鎳膜作為保護層,目前關于該方法以及具體工藝參數對鎳膜性能影響的研究尚未見報道。本文通過設計正交試驗分析靶電流、負偏壓以及濺射時間對鎳膜性能的影響,以期得到最佳的制備鎳膜工藝。1 工藝試驗為便于試驗,用30 mm×30 mm×5 mm的GCr15軸承鋼基片代替軸承套圈,制備絕緣涂層的流程為:噴砂、超聲波清洗等預處理→噴涂過渡層→噴涂氧化鋁功能層→封孔處理。過渡層選用粒徑約70 μm的鎳包鋁粉末;功能層選用純度為99.9%的氧化鋁粉末,粒徑約為30 μm;封孔劑選用KD-29。制備方法采用大氣等離子噴涂技術,最終制備的氧化鋁涂層孔隙率為2.82%,氧化鋁層厚度約為500 μm,絕緣涂層整體厚度約為600 μm。制備絕緣涂層后,在陶瓷涂層表面制備鎳膜,鍍膜設備選用矩形靶磁控濺射鍍膜機,靶材選用純度為4 N、厚度為1.5 mm的平面鎳靶。鍍膜流程如下:1)對夾具以及固定架噴砂處理,除去表面殘留的其他膜層,然后將樣件置于無水乙醇、丙酮或去離子水中進行超聲波清洗;3)鍍膜機內不放置樣件,將輔助陽極遮蔽,抽至不大于0.9×10-2Pa的真空;4)為去除靶材表面的氧化物等雜質,對靶材進行離子清洗,打開離子源擋板,設置離子源電流和電壓,通入鍍膜室的氬氣流量為7.8 m3/h,清洗6 min;5)通入鍍膜室的氬氣流量為7.8 m3/h,加負偏壓且逐漸提高負偏壓值,清洗20 min,為防止電源損壞將電源電壓控制在600 V以下,電壓過大時應減小靶電流或提高氬氣流量;6)靶材清洗后,打開鍍膜機放入轉架,打開輔助陽極,再次自動抽真空至0.9×10-2Pa,該階段需控制鍍膜室溫度在150 ℃以下;7)為去除樣件表面的氧化物等雜質以提升鎳膜結合力,對樣件進行離子清洗,設置氬氣流量為7.8 m3/h,負偏壓通過多個過渡階段逐漸提升至450 V,清洗90 min;8)制備鎳膜,鍍膜后等鍍膜室溫冷卻至100 ℃以下時取出樣件。通過正交試驗,分析工藝參數對鎳膜表面形貌的影響和鍍膜對絕緣涂層表面粗糙度的影響,以期得到最佳的工藝參數。根據相關研究及現有試驗條件,選取靶電流、負偏壓、濺射時間3個因素,每個因素取3個水平,因素水平見表1。為降低工藝優化的復雜程度,不考慮因素間的交互作用、三因素三水平問題,故選用L9(33)正交表,正交試驗方案見表2。表1 正交試驗優化設計因素及水平 Tab.1 Factors and levels of orthogonal test optimization design 
表2 正交試驗方案 Tab.2 Orthogonal test plans 
2 結果分析2.1 工藝參數對鎳膜表面形貌的影響采用掃描電子顯微鏡分析鎳膜的表面形貌,放大倍數為3 000,如圖1所示:試驗1,2,5,7制備的鎳膜表面有大的裂紋與孔洞,質量較差;試驗3,4制備的鎳膜表面平整、光滑,局部存在較多小的孔隙和凹坑;試驗6,8制備的鎳膜表面連續性較好,膜層較為致密,僅在局部存在細小的裂紋;試驗9制備的鎳膜表面光滑,連續性好,膜層致密,質量最優。
(a) 試驗1 (b) 試驗2 (c) 試驗3 上述表面形貌特征說明:1)隨靶電流增大,鎳膜表面質量提高,這是因為隨靶電流增大,氬原子的轟擊能量增大,單位時間濺射的靶材原子增多,沉積到基體表面的粒子數增多,膜層更致密;2)隨負偏壓增大,鎳膜表面質量提高,這是因為隨負偏壓增大,等離子體區域正離子對膜層的轟擊能量增大,基體表面已沉積的松散的原子會被轟擊掉,膜層表面在刻蝕作用下更加平整光滑[19];3)濺射時間對鎳膜表面形貌影響較小,但濺射時間會影響鎳膜厚度,不同工藝參數下的鎳膜厚度見表3,隨濺射時間增加,沉積到基體表面的靶材原子越多,鎳膜厚度增大。
2.2 鍍膜對絕緣涂層表面粗糙度的影響采用3D測量激光顯微鏡測試鎳膜的三維形貌及表面粗糙度,三維形貌如圖2所示,鍍膜前后的表面粗糙度見表4。
(a) 試驗1 
(b) 試驗2 
(c) 試驗3 
(d) 試驗4 
(e) 試驗5 
(f) 試驗6 
(g) 試驗7 
(h) 試驗8 
(i) 試驗9 圖2 不同工藝參數下鎳膜的三維形貌 Fig.2 3D morphology of nickel film under different process parameters 表4 鍍膜前后的表面粗糙度對比 Tab.4 Comparison of surface roughness before and after coating 
由圖2及表4可知: 1)試驗4鍍膜前的表面粗糙度Ra值最大,鍍膜后的表面粗糙度Ra值降至2.291 μm;2)試驗2鍍膜前的表面粗糙度Ra值最小,鍍膜后的表面粗糙度Ra值降至0.906 μm;3)不同工藝參數下鍍膜后的表面粗糙度值均小于鍍膜前,說明在絕緣軸承陶瓷涂層表面制備鎳膜可以改善其表面質量。2.3 小結綜上分析可知:表面鎳膜對絕緣涂層的表面粗糙度無負面影響,且可明顯改善其表面質量,試驗9鎳膜表面光滑平整,連續性以及膜層致密性最優,故試驗9工藝參數即為風電軸承套圈外表面鎳膜制備的最佳工藝參數。3 鍍膜對軸承絕緣性能的影響為分析鍍膜對軸承絕緣性能的影響,參考GB/T 10580—2015《固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標準條件》和GB/T 31838.4—2019《固體絕緣材料 介電和電阻特性 第4部分:電阻特性(DC方法) 絕緣電阻》,利用絕緣測試平臺測試軸承絕緣性能。采用最佳工藝參數,在風電軸承外表面制備鎳膜,具體工藝參數見表5。為防止鎳膜鍍在套圈內表面使內外表面導通進而降低絕緣性能,需制作蓋板,使軸承套圈端面及內表面被遮蔽且保證外表面倒角處鎳膜的完整性,夾具如圖3所示,鍍鎳膜后的套圈如圖4所示。表5 風電軸承外表面制備鎳膜的工藝參數 Tab.5 Process parameters for preparation of nickel film on outer surface of wind turbine bearing 
|
|
