风电主轴是风机传动系统的核心部件，在风机中起到连接叶片轮毂和齿轮箱、传递动能的作用。风电主轴服役寿命长且服役环境恶劣，极易发生断裂事故。因此，需要严格控制主轴的质量和性能，这导致主轴的生产难度较大，在生产过程中容易出现开裂报废等情况。

 

     某QT500-14风电主轴在铸造成型后的开箱检验过程中，采用切割方式将锁定孔内披缝去除，去除后未见明显裂纹，静置5d后，发现锁定孔边缘部位出现开裂现象，裂纹从锁定孔边缘一直贯穿至中心，导致该主轴报废。为了查找开裂原因，笔者采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜（SEM）分析、金相检验、力学性能测试等方法分析了锁定孔开裂的原因，以防止该类问题再次发生。

 

1、理化检验

 

1.1 宏观观察

 

    开裂铸造风电主轴及其断口宏观形貌如图1所示，该主轴锁定孔边缘发生开裂现象，开裂位置如图内方框所示。沿着裂纹打开主轴，打开后的裂纹断口如图1c) 所示。对断口进行仔细观察，发现断口较平齐，断口表面局部可见明显的红褐色氧化产物，断口可见明显的裂纹扩展痕迹，裂纹扩展方向如图中箭头所示，裂纹源位于切割面附近，如图1c)，1d)中椭圆所示。此外，断口及其附近未见明显的塑性变形。

 

 

 

1.2 化学成分分析

 

     从锁定孔的远离切割面处截取试样，用X射线荧光光谱仪和高频红外碳硫分析仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：主轴的化学成分符合技术要求。

 

 

 

1.3 扫描电镜分析

 

      利用线切割方法在裂纹源位置及远离裂纹源位置分别取样，用乙醇溶液清洗后，将试样放入扫描电子显微镜中观察。开裂主轴断口裂纹源附近及远离裂纹源处SEM形貌如图2~3所示。由图2~3可知：断口边缘约2mm区域未见明显球状石墨，可判断裂纹源位于过渡区附近，继续向内可见明显的球状石墨密集分布区域，该区域的宽度分布不均（见图2）；超过石墨密集分布区域后，呈穿晶开裂特征形貌，石墨分布弥散（见图3）。裂纹源处石墨的密集程度明显高于远离裂纹源处。

 

 

 

 

1.4 金相检验

 

      从平行于开裂断口裂纹源处取样，将试样磨制、抛光后置于光学显微镜下观察，观察靠近裂纹源处的球化情况，再用5%（体积分数）的硝酸乙醇溶液腐蚀试样，将腐蚀后试样置于光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：靠近裂纹源处试样的石墨呈蠕虫状和团絮状、团状聚集分布，石墨分布很不均匀[ 见图4a）]；显微组织为淬火马氏体+珠光体+ 莱氏体+ 铁素体，铁素体质量分数小于5% [见图4b）~4d）]。

 

     断口远离裂纹源处微观形貌如图5所示。由图5可知：远离裂纹源处的石墨大部分呈球状和团状分布，石墨分布比较均匀，球化率大于90%，石墨大小级别为6 级[ 见图5a）]，铁素体质量分数大于95%[ 见图5b）]，组织为铁素体和少量沿铁素体晶界析出的碳化物[ 见图5c）~5d）]，符合产品要求。

 

 

 

1.5 力学性能测试

 

      截取开裂主轴本体和附铸试块的材料，并将其制成拉伸试样，按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对试样进行拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：断裂主轴和附铸试块的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均符合技术要求。

 

 

 

2、综合分析

 

      靠近切割面的显微组织为马氏体，说明该位置在加热到一定温度后经历过迅速冷却的过程。在迅速冷却的过程中，过渡区附近会产生较大的内部应力。裂纹源位于过渡区附近，石墨明显密集分布，石墨密集分布将导致局部区域的抗拉强度偏低。切割结束后的周向拉应力超过了该区域的抗拉强度，使材料产生微裂纹。微裂纹产生后，在残余应力和重力等局部应力共同作用下，裂纹不断扩展，最终形成了较深的裂纹，导致主轴锁定孔断裂。

 

3、结语及建议

 

     主轴锁定孔切割面附近有明显的石墨密集分布，在冷却过程中，局部内应力超过其强度而产生微裂纹；微裂纹在残余应力等局部应力的作用下不断延伸，最终导致主轴断裂。建议提高原材料的质量，保证基体中材料性能的均匀性；优化切割工艺，切割前进行预热，切割后增加缓冷措施。

 

作者：张振 1，刘哲 1，刘珑 2，杨开彬 1

 

单位：1. 金雷科技股份公司；

 

2. 齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第6期

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 风电主轴 锁定孔开裂