技术前沿 | 风电轴承的激光复合强化研究进展

风能作为一种清洁的可再生能源，对于实现低碳能源体系转型、早日达到“双碳”目标至关重要。如今，海上风电成为各国竞相发展的重点。而我国大型海上风电主轴轴承主要依赖进口。面向大型风电轴承高质量表面强化的重大需求，本文主要介绍激光复合表面强化技术在高端重载轴承制造中的应用，分析了其组织、性能的调控方法，通过能场复合实现轴承滚道的高性能表面强化，推动我国海上风电主轴轴承的国产化进程。

研究背景

目前，中国再生能源规模稳居世界第一，绿色能源正驶入发展快车道。在“双碳”战略的推动下，能源结构面临进一步的转型升级。风能作为一种清洁无公害的可再生能源，已经成为发电行业碳减排和实现低碳能源体系转型的重要途径。

风电轴承作为风力发电机的核心部件，主要包括主轴轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机轴承和齿轮箱轴承等，其制造流程涵盖钢材元素配分设计、锻造粗加工、热处理、精加工、表面处理和质量控制与测试。其中，轴承的表面处理是至关重要的一个环节。海上风电轴承的服役条件非常恶劣，‌需要承受交变重载、‌高湿度、高温差、长期服役等极端环境因素带来的挑战，并且对装载要求很高，单次装吊成本需要几百万元。鉴于此，海上风电轴承必须具备强化层深度大、耐磨性能好、变形小、强韧性好、疲劳寿命长等特点，设计寿命通常在20年以上，对轴承表面性能提出了极为严苛的要求。提高风电轴承表面耐磨性、抗冲击、抗接触疲劳性能是保障风力发电机组长期稳定运行的关键技术之一。

图1.风力发电机轴承示意图

当前，我国风电轴承行业在政策支持下取得了显著进展，‌特别是在偏航、‌变桨轴承的国产化方面，‌已经实现了批量规模化生产。然而，主轴轴承因为技术壁垒较高，高端领域的大功率主轴轴承严重依赖进口，国产化面临挑战。

风电轴承的现有表面处理方法主要包括渗氮处理和感应淬火等，这些工艺均存在一定程度的局限性。其中，渗氮处理存在着能耗大、成本高、周期长以及性能提升有限等限制。感应淬火则呈现热输入较大引起的热变形、有软带导致轴承力学性能不达标以及设备复杂等工艺弊端。

激光表面强化作为一种先进的表面改性技术，被广泛应用于工业各领域。随着激光器持续呈现多类型、大功率、国产化、低成本等趋势，以及光学处理技术和系统的快速发展，激光表面强化技术逐步从实验室走向工程应用，可实现高效定制化制造。激光热处理将成为下一个激光制造产业发展的爆发点。

 然而，激光热处理工艺同样存在不可忽视的局限性。第一，强化深度有限。常规激光淬火的硬化层深度在2mm以内，不适用于重载等工况，而风电轴承的国家标准要求淬火硬化层深度达到5mm以上，以确保轴承在承受重载时具有足够的硬度、耐磨性和安全性，满足高负荷条件下的使用要求。第二，组织调控有限。激光淬火基于单一的马氏体相变原理，产生高硬马氏体组织，对于高碳合金钢等材料，激光淬火后形成的针状马氏体脆性较大，难以实现强韧兼具，容易开裂。在这种情况下，激光复合强化技术应运而生。

激光复合强化技术研究进展

激光复合强化技术成为现代高端装备制造领域表面改性的主要发展趋势之一，包含多种复合方式，即多热源（多激光、‌激光与感应、‌激光与等离子、激光与电弧）、多能场（激光+电磁场复合、激光+超声能场复合、激光+电化学复合等）、多工艺（激光与渗碳、渗氮、冲击、滚压复合等），激光与至少一种其它热源/能场/工艺相互作用参与同一加工过程，并改变材料表面性能，产生比单种方法更优（质量、效率、成本等）的加工效果。

近年来，浙江工业大学在激光复合强化技术领域开展了大量的研发工作并取得了持续的突破和创新。笔者所在课题组提出了面向大型风电轴承的激光复合强化技术，攻克了其变形、深度、软带、性能等问题，致力于打破国外技术封锁，助力实现重载轴承国产化。

激光-电磁感应复合深层强化

将激光热处理与电磁感应加热进行同步复合，能够精确控制加热过程与冷却过程，适当增加碳扩散时间，使热量更有效地向深层位置传导，从而提高淬火深度，可解决常规单一激光淬火的深度有限、组织无法调控、强韧难以兼具等难题，在已成为复杂工况下高端装备关键部件的高性能表面制造的核心技术，为激光热处理的大范围工业应用提供了重要的技术支撑。激光-电磁感应复合深层强化能够满足风电轴承重载、磨损、交变载荷、长寿命等方面的性能要求。这种复合强化工艺重点要解决的问题包括双热源的耦合匹配、晶粒大小调控、工艺-温度场的本构关系建立以及淬硬层形状和性能的精确调控。

图2. 激光-电磁感应复合强化装置示意图

      对此，课题组开展了相关的实验，研究了不同的感应线圈复合淬火的温度场分布。不同光斑能量分布、不同光斑尺寸对强化效果的影响，以及如何获得近平底型轮廓等。通常情况下，激光淬火产生的强化层轮廓呈现月牙型（中间深，两侧浅），导致强化层不均匀；而在优化的激光光斑作用下，强化层呈现近平底型轮廓，强化层均匀性大幅提升。

      常规激光淬火深度小于2mm，感应淬火热变形大、存在软带。而激光-电磁感应复合深层强化可突破单一激光固态相变强化深度的极限技术，目前深度可达6.3mm，变形小，无软带，硬度为HRC 58-62。同时，复合淬火较激光淬火和感应淬火等手段大幅提高了材料表面的耐磨性。目前，笔者所在课题组正朝着强化深度7mm-8mm的目标持续攻关。

图3. 相较激光淬火和感应淬火，复合淬火方式大幅提高了材料表面的耐磨性

大型风电轴承深层强化应力应变分析和应用验证

针对风电轴承建立了激光复合强化过程中的应力应变模型，分析了应力应变情况。轴承外圈经过激光-感应复合淬火后，轴向最大变形为0.0495mm，径向最大变形为0.2201mm；轴承内圈的轴向最大变形为0.1715mm，径向最大变形为0.0973mm。轴承外圈经过激光-感应复合淬火后，硬化层局部变形为膨胀，轴承外圈整体向内收缩变形；轴承内圈经过激光-感应复合淬火后，除整体向内收缩外，轴承的外侧还发生了翘曲变形。对3.3m直径的轴承进行整圈强化后，实测变形量可控制在0.08mm。

图4.  轴承套圈应力应变模拟结果

      课题组开展的激光-电磁场复合深层强化工艺使用了15kW大功率半导体激光器，搭配定制化的大光斑（160mm宽），对风电轴承的内外圈滚道进行一次性强化处理，目前已经通过台架试验，推动了大型风电主轴轴承的国产化进程。后续还要经过大量反复的优化和验证工作，以实现大批量应用。

激光-电磁场复合实现高性能熔覆

随着风电轴承功率越来越高，国产16兆瓦、20兆瓦的样机已陆续推出，但使用的轴承很多仍为进口产品。由于风电滚动轴承的成本高、径承载力不足，并且依赖进口。相较之下，风电滑动轴承的承载能力更强，更能适应海上作业时复杂恶劣的工况，成本较滚动产品可大幅降低，且结构简单，易实现国产化制造，轴承“以滑代滚”已然成为新趋势。

毋庸置疑，大功率海上风机对滑动轴承的表面改性技术提出了很高的要求，需制备致密度高、性能优异的强化层。

风电滑动轴承的性能需求包括低摩擦系数、‌良好的导热性、‌耐酸性腐蚀、‌高耐磨性、较小的热膨胀系数和高机械强度等。‌这些性能要求确保了轴承能够在极端的工作环境下长时间稳定运行，‌减少维护需求，‌提高设备的使用寿命和效率。‌由于铜合金具有优异的耐磨减摩、耐腐蚀等性能，激光熔覆铜合金是风电滑动轴承表面性能提升的有效途径。

图5.滑动轴承各种失效形式

由于铜合金材料的反射率高，铜合金与轴承基体的热物性参数差别较大，激光熔覆时容易产生气孔。目前不少风机轴承配套厂家也在开展相应的激光熔覆工艺研究，但气孔问题仍比较明显。对此，课题组采用激光-电磁场复合熔覆技术后，利用熔池中的带电粒子与交变磁场作用产生的洛伦兹力对熔覆层内气体运动与逸出行为进行调控，获得高致密涂层。

图6.  激光-电磁场复合熔覆装置示意图

在气孔调控方面，电磁场复合激光熔覆工艺可以高效排出熔覆过程中由于空心粉、外界气体引入和材料内部反应析出的各类气孔。课题组建立了相应数值模型，研究了电磁场复合下激光熔覆过程中气泡在不同位置及不同洛伦兹力作用下的轨迹。通过模拟，熔覆层孔隙率可下降75.71%。通过实验验证，电磁场作用下的试样孔隙率减少了60.8%-80.3%。

图7.   气泡在熔池不同位置及不同洛伦兹力作用下的轨迹 (a)前部（b）中部（c）后部

为改善铜合金与轴承基体的浸润性，进一步提高熔覆层的性能，课题组采用添加适量过渡层的方法进一步控性。实验证明，添加过渡层后的涂层结合良好，涂层中组织不含富铁相，主要由富铜基体相和富锡、镍的岛状析出相组成，添加过渡层同时也避免了硬度的急剧变化。在电磁场和过渡层的共同作用下，孔隙率进一步降低。

图8.熔覆层元素分布（左图为无过渡层，右图为有过渡层）

图9.  电磁场和过渡层对熔覆层气孔的影响（1）无电磁场和过渡层  （2）添加电磁场和过渡层

技术展望

综上所述，多热源、多能场和多工艺的激光复合强化技术是风电轴承滚道表面性能提升的理想解决方案。然而，该技术的持续开拓和发展方面还是面临着不可小觑的挑战，需要进一步探索相应的机理与工艺。

第一是非平衡作用机理，包括激光与感应复合、电磁场复合等之间耦合的机理问题；第二是关键部位选区性强化及其调控方案，要深入研究如何实现零部件强化工艺的最优化定制，如何更精准地调控晶粒、缺陷和性能；第三是多能量场/多工艺协同控制方法，研发复合工艺及智能化激光复合强化专用装备，实现工艺高度可控；最后是针对风电轴承的接触疲劳性能、寿命预测和台架试验等开展更多高可靠的性能验证。

本文作者：张群莉 | 浙江工业大学激光先进制造研究院副院长、教授

内容来源：《中国激光界》2024.9月刊

投稿邮箱：yoyoxie@chinalaser.org

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