風電主軸是風機傳動系統的核心部件,在風機中起到連接葉片輪轂和齒輪箱、傳遞動能的作用[1]。風電主軸服役壽命長且服役環境惡劣,極易發生斷裂事故[2-4]。因此,需要嚴格控制主軸的質量和性能[5],這導致主軸的生產難度較大,在生產過程中容易出現開裂報廢等情況[6-9]。 

某QT500-14風電主軸在鑄造成型后的開箱檢驗過程中,采用切割方式將鎖定孔內披縫去除,去除后未見明顯裂紋,靜置5 d后,發現鎖定孔邊緣部位出現開裂現象,裂紋從鎖定孔邊緣一直貫穿至中心,導致該主軸報廢。為了查找開裂原因,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡（SEM）分析、金相檢驗、力學性能測試等方法分析了鎖定孔開裂的原因,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂鑄造風電主軸及其斷口宏觀形貌如圖1所示,該主軸鎖定孔邊緣發生開裂現象,開裂位置如圖內方框所示。沿著裂紋打開主軸,打開后的裂紋斷口如圖1c)所示。對斷口進行仔細觀察,發現斷口較平齊,斷口表面局部可見明顯的紅褐色氧化產物,斷口可見明顯的裂紋擴展痕跡,裂紋擴展方向如圖中箭頭所示,裂紋源位于切割面附近,如圖1c),1d)中橢圓所示。此外,斷口及其附近未見明顯的塑性變形。 

圖  1  開裂鑄造風電主軸及其斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

從鎖定孔的遠離切割面處截取試樣,用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：主軸的化學成分符合技術要求。 

1.3   掃描電鏡分析

利用線切割方法在裂紋源位置及遠離裂紋源位置分別取樣,用乙醇溶液清洗后,將試樣放入掃描電子顯微鏡中觀察。開裂主軸斷口裂紋源附近及遠離裂紋源處SEM形貌如圖2~3所示。由圖2~3可知：斷口邊緣約2 mm區域未見明顯球狀石墨,可判斷裂紋源位于過渡區附近,繼續向內可見明顯的球狀石墨密集分布區域,該區域的寬度分布不均（見圖2）；超過石墨密集分布區域后,呈穿晶開裂特征形貌,石墨分布彌散（見圖3）。裂紋源處石墨的密集程度明顯高于遠離裂紋源處。 

圖  2  開裂主軸斷口裂紋源附近SEM形貌

圖  3  開裂主軸斷口遠離裂紋源處SEM形貌

1.4   金相檢驗

從平行于開裂斷口裂紋源處取樣,將試樣磨制、拋光后置于光學顯微鏡下觀察,觀察靠近裂紋源處的球化情況,再用5%（體積分數）的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將腐蝕后試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：靠近裂紋源處試樣的石墨呈蠕蟲狀和團絮狀、團狀聚集分布,石墨分布很不均勻[見圖4a）]；顯微組織為淬火馬氏體+珠光體+萊氏體+鐵素體,鐵素體質量分數小于5%[見圖4b）~4d）]。 

圖  4  斷口裂紋源處微觀形貌

斷口遠離裂紋源處微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：遠離裂紋源處的石墨大部分呈球狀和團狀分布,石墨分布比較均勻,球化率大于90%,石墨大小級別為6級[見圖5a）],鐵素體質量分數大于95%[見圖5b）],組織為鐵素體和少量沿鐵素體晶界析出的碳化物[見圖5c）~5d）], 符合產品要求。 

圖  5  斷口遠離裂紋源處微觀形貌

1.5   力學性能測試

截取開裂主軸本體和附鑄試塊的材料,并將其制成拉伸試樣,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試樣進行拉伸試驗,結果如表2所示。由表2可知：斷裂主軸和附鑄試塊的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合技術要求。 

2.   綜合分析

靠近切割面的顯微組織為馬氏體,說明該位置在加熱到一定溫度后經歷過迅速冷卻的過程。在迅速冷卻的過程中,過渡區附近會產生較大的內部應力。裂紋源位于過渡區附近,石墨明顯密集分布,石墨密集分布將導致局部區域的抗拉強度偏低。切割結束后的周向拉應力超過了該區域的抗拉強度,使材料產生微裂紋。微裂紋產生后,在殘余應力和重力等局部應力共同作用下,裂紋不斷擴展,最終形成了較深的裂紋,導致主軸鎖定孔斷裂。 

3.   結語及建議

主軸鎖定孔切割面附近有明顯的石墨密集分布,在冷卻過程中,局部內應力超過其強度而產生微裂紋；微裂紋在殘余應力等局部應力的作用下不斷延伸,最終導致主軸斷裂。建議提高原材料的質量,保證基體中材料性能的均勻性；優化切割工藝,切割前進行預熱,切割后增加緩冷措施。 

文章來源——材料與測試網