海上風(fēng)電機(jī)組用N38SH永磁體在鹽霧中的性能*

李高盛， 魯仰輝， 嚴(yán) 帥， 曹 菡， 盧華興， 劉 偉

(國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 102209)

隨著中國清潔能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，海上風(fēng)電的建設(shè)與發(fā)展越來越受到重視.但是海上環(huán)境惡劣，海上風(fēng)電機(jī)組面臨風(fēng)、浪、流、冰等多種載荷共同作用[1]，受到鹽霧、濕、熱的綜合影響，造成機(jī)組維護(hù)困難，維護(hù)成本高，成為海上風(fēng)電度電成本難以下降的原因之一[2].因此，為了便于海上風(fēng)電機(jī)組維護(hù)就必須結(jié)合海洋環(huán)境對機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料服役性能、機(jī)組發(fā)電性能進(jìn)行針對性研究.其中，永磁體作為永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵材料[3-6]，其在海洋環(huán)境中的磁性能演變直接關(guān)系到機(jī)組發(fā)電能力，需要重點(diǎn)研究.

1 試驗(yàn)參數(shù)和過程

試驗(yàn)永磁體牌號為N38SH，生產(chǎn)廠家為安泰科技有限公司.樣品尺寸φ10 mm×10 mm，分為鍍層(Ni-Cu-Ni當(dāng)前發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鍍層)和無鍍層樣品進(jìn)行試驗(yàn)對比.鹽霧腐蝕試驗(yàn)采用鹽霧腐蝕試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示.鹽霧腐蝕試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《試驗(yàn)Kb鹽霧，交變(氯化鈉溶液)》(GB/T 2423.18-2000)進(jìn)行.具體步驟為：鹽霧為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl溶液，35 ℃下噴霧2 h后40 ℃濕熱保溫20～22 h為一周期，分別對樣品鹽霧腐蝕3、6和9周期.鍍層樣品各組式樣編號為T3、T6、T9，無鍍層樣品各組式樣編號為W3、W6、W9，各組樣品分別在20、50、80、100、120、150 ℃進(jìn)行退磁曲線測定、SEM觀察以及EDS測試.

圖1 鹽霧腐蝕設(shè)備Fig.1 Salt-spray corrosion devices

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 樣品宏觀特征

試驗(yàn)完成后各組樣品質(zhì)量如圖2所示.可以看出，鍍層樣品和無鍍層樣品質(zhì)量均有下降現(xiàn)象，但鍍層樣品質(zhì)量下降不明顯，如圖3所示，無鍍層樣品表面銹跡明顯，腐蝕層極為疏松，實(shí)際已經(jīng)脫離基體，在稱重時為保證不磨損基體沒有將腐蝕層完全打磨掉，因此，圖2只是反映樣品的質(zhì)量變化趨勢，并不是真實(shí)質(zhì)量變化，特別是無鍍層樣品其基體實(shí)際質(zhì)量應(yīng)下降更多.

圖2 樣品鹽霧腐蝕后平均質(zhì)量Fig.2 Average weights of specimens after salt-spray corrosion

圖3 9周期腐蝕完成后樣品宏觀形貌Fig.3 Macro-appearance of specimens after corrosion for 9 cycles

2.2 樣品磁性能

圖4～9為各組樣品主要磁性能的變化情況.圖4為各組樣品的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以看到與一般規(guī)律相同，隨著測試溫度升高磁感應(yīng)強(qiáng)度快速下降.由于磁感應(yīng)強(qiáng)度表征磁通密度，其與磁體截面積有關(guān)，因此，鍍層樣品在相同體積下有效磁體截面較小，其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度低于原始樣品[7]，而無鍍層樣品在經(jīng)過6和9周期鹽霧腐蝕后，其表面腐蝕脫落，有效截面變小使其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度與鍍層樣品相接近.圖5為各組樣品的磁感矯頑力測試結(jié)果，磁感矯頑力表征的是將磁體磁場完全抵消時所需的反向磁場強(qiáng)度，其是磁體抵抗反向磁場能力的重要指標(biāo).可以看到在鹽霧腐蝕后，在50～120 ℃的溫度區(qū)間所有樣品的磁感矯頑力均低于原始樣品，而在150 ℃時所有樣品測試結(jié)果非常接近，說明溫度仍是影響磁感矯頑力最重要的因素，但在磁體工作溫度區(qū)間內(nèi)，鹽霧腐蝕使磁體抵抗反向磁場的性能顯著下降，其中無鍍層樣品性能更差.圖6為各組樣品的膝點(diǎn)矯頑力，表示使磁感應(yīng)強(qiáng)度降低為初始值0.9倍時的反向磁場強(qiáng)度，可以看到所有鹽霧腐蝕樣品膝點(diǎn)矯頑力整體下降明顯，隨著測試溫度升高，鍍層樣品曲線與原始樣品基本重合，鹽霧腐蝕樣品曲線則整體下移，腐蝕周期越長下移幅度越大.圖7為各組樣品最大磁能積變化曲線，其數(shù)值越大說明磁體有效部分越多.可以看到經(jīng)過鹽霧腐蝕后所有樣品的最大磁能積均下降，說明無論是否有鍍層，樣品在鹽霧條件下磁體有效部分減少.圖8為各組樣品內(nèi)稟矯頑力，表示磁體磁感強(qiáng)度完全歸零后的反向磁場強(qiáng)度，其受材料本身特性影響更大，各組樣品隨溫度變化曲線與原始樣品對比差異不大[8].圖9為樣品的方形度曲線，其為膝點(diǎn)矯頑力與內(nèi)稟矯頑力的比值，表示樣品抵抗反向磁場的能力，其規(guī)律與膝點(diǎn)矯頑力基本一致.

圖4 樣品剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.4 Residual magnetic induction strength of specimens

圖5 樣品磁感矯頑力Fig.5 Coercive forces of specimens

圖6 樣品膝點(diǎn)矯頑力Fig.6 Knee point coercive forces of specimens

圖7 樣品最大磁能積Fig.7 Maximum magnetic energy

圖8 樣品內(nèi)稟矯頑力Fig.8 Intrinsic coercive forces of specimens

圖9 樣品方形度Fig.9 Squareness of specimens

2.3 樣品顯微形貌

圖10為樣品基體顯微形貌，其為典型粉末燒結(jié)形貌，等軸狀粉末顆粒被燒結(jié)在一起，晶界間有少量熔融相.圖11為無鍍層樣品鹽霧腐蝕的顯微形貌，鹽霧腐蝕后可以看到表面氧化層和基體之間形成了以細(xì)碎晶粒為主的過渡層，可以看到過渡層晶粒晶界加深，顯示永磁體晶粒從晶界開始向內(nèi)被腐蝕損失，導(dǎo)致磁體有效體積減少，顯微結(jié)果符合磁性能參數(shù)的變化.圖12為鍍層樣品顯微形貌，與無鍍層樣品類似，雖然其表面有鎳鍍層保護(hù)，但鍍層和基體間仍然出現(xiàn)了以細(xì)碎晶粒為主的過渡層.試驗(yàn)所采用的永磁體鍍層與基體為物理性的機(jī)械結(jié)合，在樣品打磨時會發(fā)生機(jī)械剝落，因此，鍍層與基體間并沒有化學(xué)連接.另外，Cu、Ni等大原子很難在Fe基合金中擴(kuò)散，同時，即便擴(kuò)散導(dǎo)致形成Ni、Cu、Fe的金屬間化合物或相應(yīng)元素的第二相粒子，也不會造成原晶粒從晶界的質(zhì)量損失，因此，鍍層樣品中的過渡層應(yīng)該是鹽霧腐蝕導(dǎo)致的晶粒質(zhì)量損失現(xiàn)象.同樣與最大磁能積、磁感矯頑力的試驗(yàn)結(jié)果吻合.

圖10 樣品原始顯微形貌Fig.10 Microstructural morphology of original specimen

圖11 無鍍層樣品顯微形貌Fig.11 Microstructural morphology of specimen without coating

圖12 鍍層樣品顯微形貌Fig.12 Microstructural morphology of specimen with coating

圖13、14分別為無鍍層樣品(9周期腐蝕)和鍍層樣品(9周期腐蝕)的邊界O元素能譜掃描結(jié)果.可以看到無論是否有鍍層樣品，其表面都有氧元素的擴(kuò)散，但是表現(xiàn)形式不同.無鍍層樣品是典型的從外向內(nèi)基體逐漸氧化剝落的形態(tài).而鍍層樣品從鍍層到基體O元素分布沒有明顯區(qū)別，基體部分略有升高.能譜檢測結(jié)果說明無論有無鍍層保護(hù)，在鹽霧條件下O元素都會侵蝕磁體基體，造成有效磁材料的損失.

圖13 無鍍層樣品邊緣能譜結(jié)果Fig.13 EDS result of specimen edge without coating

圖14 鍍層樣品邊緣能譜結(jié)果Fig.14 EDS result of specimen edge with coating

3 分析與討論

鹽霧腐蝕過程為鹽霧/濕熱交變環(huán)境和發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況相似.從試驗(yàn)結(jié)果來看，Ni-CuNi鍍層可以對永磁體起到一定的保護(hù)作用，但試驗(yàn)樣品的最大磁能積、磁感矯頑力等關(guān)鍵磁性能仍然在鹽霧/濕熱交變條件下顯著降低.在電機(jī)設(shè)計中永磁體最大磁能積決定了電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率，而磁感矯頑力代表電機(jī)在運(yùn)行過程中抵抗反向磁場的能力[9-10]，如果該數(shù)值達(dá)不到規(guī)定值，則磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減低，直至失效.也就是說，風(fēng)電機(jī)組在海上環(huán)境運(yùn)行時除了要對磁體本身進(jìn)行一定保護(hù)外，更關(guān)鍵的是對其運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行密封隔絕O、Cl等氧化元素.

一個值得注意的方面是，在試驗(yàn)條件下能譜檢測并沒有測出Cl原子擴(kuò)散，反而O原子擴(kuò)散是材料腐蝕的主要原因，這可能是由于：1)在試驗(yàn)條件下，試樣暴露在Cl-離子中的時間比例遠(yuǎn)小于O2-離子；2)Cl-離子比O2-離子重，體積大，在金屬晶體中更難擴(kuò)散；3)能譜分析存在一定誤差，特別是在鍍層保護(hù)樣品中其O元素擴(kuò)散分布規(guī)律并不明顯，需要通過進(jìn)一步檢測手段進(jìn)行分析(磁體是粉末燒結(jié)樣品，可選用的元素分析手段較少，需要進(jìn)一步調(diào)研)；4)可能存在Cl-離子促進(jìn)O2-離子擴(kuò)散的現(xiàn)象，兩種氧化性離子互相促進(jìn)擴(kuò)散的現(xiàn)象并沒有相關(guān)報道，可能在Cl-離子短時間作用后，O2-離子更容易發(fā)生擴(kuò)散從而穿過鍍層.

雖然可以看到鍍層和無鍍層樣品試驗(yàn)后基體邊緣的顯微形貌比較近似，但SEM和NES無法分辨其物相結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，存在不同腐蝕機(jī)理導(dǎo)致不同物相結(jié)構(gòu)顯示出相似形貌的可能，因此，需要在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行XRD、XFS試驗(yàn)，分析腐蝕區(qū)域物相確定腐蝕機(jī)理.

4 結(jié) 論

本文試驗(yàn)確定了鹽霧腐蝕對永磁體性能的影響，為永磁體在海上風(fēng)電機(jī)組中的保護(hù)提供了研究基礎(chǔ)，但對腐蝕機(jī)理方面還需要在后續(xù)工作和項目中進(jìn)一步研究，試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1) 鹽霧腐蝕會削弱鍍層/無鍍層永磁體磁性能，主要是減少有效磁體積，導(dǎo)致最大磁能積、磁感矯頑力降低；

2) Ni-Cu-Ni對磁體有一定保護(hù)作用，但不足以抵消鹽霧腐蝕的影響，經(jīng)試驗(yàn)后的鍍層樣品也不能滿足發(fā)電機(jī)的使用要求；

3) 在海上環(huán)境中，除對永磁體進(jìn)行表面保護(hù)外，更重要的是對其進(jìn)行密封隔絕Cl-離子和O2-離子.