风电绝缘承载面保护膜的制备及绝缘性能分析
李全伟 1、杨斌 2、王海 3、李永浩 3、杜光宇 1
（1.东北大学机械工程及其自动化学院 沉阳 110819；2.沉阳飞机工业（集团）有限公司 沉阳 110000；3.沉阳乐北真空技术有限公司 沉阳 110136）
摘要：为了提高风电绝缘轴承在复杂工况下的力学性能和绝缘性能，延长其使用寿命，采用磁控溅射的方法在绝缘轴承的陶瓷涂层表面沉积镍膜。 通过设计正交试验，分析了靶电流、负偏压和溅射时间对镍膜表面形貌的影响以及镀膜对绝缘镀层表面粗糙度的影响。 结果表明：随着靶电流和负偏压的增大，镍膜表面质量得到改善； 溅射时间对镍膜表面质量影响不大，但会影响镍膜厚度； 涂装后表面粗糙度值降低； 靶电流4A，负偏压300V，溅射时间90min，镍膜表面光滑平整，膜层连续性和致密性最好，是最好的工艺参数。 某风电轴承外表面制备镍膜后，交流击穿电压由6 100 V提高到6 300 V，直流电阻由23 GΩ提高到95 GΩ，绝缘性能得到改善，表明其正确性的过程。
关键词：滚动轴承； 风力发电机； 绝缘轴承； 磁控溅射； 涂层; 表面粗糙度; 绝缘性能
近年来，风力发电作为一种绿色能源技术受到了世界各国的广泛关注，逐渐成为一种重要的新能源发电方式。 随着装机容量的增加，风电机组的故障和可靠性越来越受到关注。 轴承是风力发电机的关键部件，其可靠性将直接影响风力发电机的使用寿命。 电腐蚀是风电轴承的主要失效形式[1-4]。 为解决电腐蚀问题，常采用绝缘轴承来阻断轴电流[5-9]，但存在以下问题：1）当绝缘涂层密封不当时，当密封剂不有效填充涂层的孔隙，外部水分子和腐蚀性杂质会通过孔隙进入涂层，涂层的绝缘电阻下降[10-11]，最终导致绝缘性能失效； 安装过程中外加机械载荷的作用容易使绝缘涂层产生裂纹破坏，涂层的绝缘性能降低[12-13]，涂层中的电荷会在作用下聚集在缺陷处极化，导致缺陷处的电压损失。 3) 绝缘轴承在运行过程中在转轴周期性振动和冲击下，会与轴承座发生微动磨损，导致其绝缘性能和机械稳定性下降[15]。 综上所述，需要在绝缘涂层表面制备保护层，以提高绝缘轴承的综合使用性能。
金属镍膜具有良好的机械性能、耐腐蚀、耐磨和抗冲击等优点，可以满足绝缘轴承外保护的需要[16]。 溅射技术的基本原理是利用异常辉光放电产生的等离子体轰击靶材表面制备薄膜。 与传统溅射相比，磁控溅射效率显着提高，沉积速度快，使用成本低。 ,适用于沉积导电性好的金属或合金靶材，是制备综合性能优异的金属薄膜的主要方法[17-18]。 本文考虑采用磁控溅射技术在绝缘轴承陶瓷涂层表面制备镍膜作为保护层。 目前还没有关于该方法以及具体工艺参数对镍膜性能影响的报道。 本文通过设计正交试验，分析了靶电流、负偏压和溅射时间对镍薄膜性能的影响，以求得制备镍薄膜的最佳工艺。
1 过程测试
为试验方便，采用30mm×30mm×5mm的GCr15轴承钢基体代替轴承套圈，制备绝缘涂层的工艺流程为：喷砂、超声波清洗等预处理→喷涂过渡层→喷涂氧化铝功能层→封闭处理。 过渡层采用镍包铝粉，粒径约70μm； 功能层采用纯度为99.9%、粒径约为30μm的氧化铝粉。 密封剂采用KD-29。 制备方法采用大气等离子喷涂技术。 最终氧化铝涂层的孔隙率为2.82%，氧化铝层的厚度约为500 μm，绝缘涂层的总厚度约为600 μm。
绝缘涂层制备完成后，在陶瓷涂层表面制备镍膜。 镀膜设备为矩形靶磁控溅射镀膜机，靶材为纯度为4N、厚度为1.5mm的平面镍靶。 涂装工艺如下：
1) 对夹具和固定架进行喷砂处理，去除表面残留的其他膜层，然后将样品放入无水乙醇、丙酮或去离子水中进行超声波清洗；
2）用夹具将试样固定在涂布机转盘中央；
3）镀膜机内不放置样品，辅助阳极屏蔽，真空度不大于0.9×10-2Pa；
4）为了去除靶材表面的氧化物等杂质，对靶材进行离子清洗，打开离子源挡板，设置离子源的电流和电压，氩气进入镀膜室的流量7.8立方米/小时，清洗6分钟；
5) 流入镀膜室的氩气流量为7.8m3/h，加负偏压并逐渐增大负偏压值，清洗20分钟，电源电压控制在600V以下，防止断电供应损坏。 降低靶电流或增加氩气流量；
6）靶材清洗干净后，打开镀膜机放入转盘，打开辅助阳极，再次自动抽真空至0.9×10-2Pa。 此阶段镀膜室温度需控制在150℃以下；
7) 为去除样品表面氧化物等杂质，提高镍膜结合力，对样品进行离子清洗，氩气流量设置为7.8 m3/h，负偏压通过多个过渡阶段逐渐增加到 450 V。 洗涤90分钟；
8) 制备镍膜，镀膜后室温冷却到100℃以下时取出试样。
通过正交试验，分析了工艺参数对镍膜表面形貌的影响和镀膜对绝缘镀层表面粗糙度的影响，以获得最佳工艺参数。 根据相关研究和现有试验条件，选取靶电流、负偏压和溅射时间三个因素，每个因素取三个水平。 因素水平如表1所示，为降低工艺优化的复杂度，不考虑因素间的交互作用和三因素三水平问题，故选用L9(33)正交表，正交试验方案如表2所示。
表1 正交实验优化设计因素及水平
表 1 正交试验优化设计的影响因素及层次
表2 正交测试方案
Tab.2 正交试验计划
2 结果分析 2.1 工艺参数对镍膜表面形貌的影响
用放大3000倍的扫描电镜分析镍膜的表面形貌，如图1所示：试验1、2、5、7制备的镍膜表面存在较大的裂纹和孔洞，质量差； 试验3、4制备的镍膜表面平整光滑，局部有许多小孔和凹坑； 试验6、8制备的镍膜表面连续性较好，膜层较为致密，仅局部有细小裂纹； 9 制备的镍膜表面光滑，连续性好，膜层致密，质量最好。
(a) 测试 1 (b) 测试 2 (c) 测试 3
(d) 测试 4 (e) 测试 5 (f) 测试 6
(g) 测试 7 (h) 测试 8 (i) 测试 9
图1 不同工艺参数下镍膜的表面形貌
图1 不同工艺参数下镍膜的表面形貌
上述表面形貌特征表明：1）随着靶电流的增大，镍膜表面质量提高，因为随着靶电流的增大，氩原子的轰击能量增大，单位溅射的靶原子数增加时间增加。 基材表面颗粒数量增加，膜层更致密； 2）随着负偏压的增加，镍膜的表面质量得到改善，因为随着负偏压的增加，等离子区正离子的轰击能量增加。 ,沉积在衬底表面的松散原子会被轰击掉,膜层表面在刻蚀的作用下会变得越来越光滑[19]; 3）溅射时间对镍膜表面形貌影响不大，但溅射时间会影响镍膜的厚度，不同工艺参数下的镍膜厚度如表3所示。溅射时间增加，沉积在基体表面的靶原子越多，镍膜厚度增加。
表3 不同工艺参数下的镍膜厚度
表 3 不同工艺参数下的镍膜厚度
2.2 涂层对绝缘涂层表面粗糙度的影响
使用三维测量激光显微镜测试了镍膜的三维形貌和表面粗糙度。 三维形貌如图2所示，涂层前后的表面粗糙度如表4所示。
(a) 测试 1
(b) 测试 2
(c) 测试 3
(d) 测试 4
(e) 测试 5
(f) 测试 6
(g) 测试 7
(h) 测试 8
(i) 测试 9
图2 不同工艺参数下镍膜三维形貌
图2 不同工艺参数下镍膜的三维形貌
表4 涂装前后表面粗糙度对比
表 4 涂装前后表面粗糙度对比
从图2和表4可以看出：1）试验4中涂层前表面粗糙度Ra值最大，涂层后表面粗糙度Ra值下降到2.291μm； 2）试验2中涂层前表面粗糙度Ra值最小，涂层Ra值3）不同工艺参数下，涂层后表面粗糙度值均小于涂层前，说明在绝缘轴承陶瓷涂层表面制备镍膜可改善其表面质量。
2.3 总结
从以上分析可以看出，表面镍膜对绝缘镀层的表面粗糙度没有负面影响，并能显着改善其表面质量。 该参数为风电轴承套圈外表面镍膜制备的最佳工艺参数。
3 涂层对轴承绝缘性能的影响
为了分析涂层对轴承绝缘性能的影响，参照GB/T 10580-2015《固体绝缘材料试验前和试验中的标准条件》和GB/T 31838.4-2019《固体绝缘材料的介电和电阻性能》材料第4部分：电阻特性（直流法）绝缘电阻”，使用绝缘测试平台测试轴承的绝缘性能。
采用最优工艺参数，在风电轴承外表面制备镍膜。 具体工艺参套圈端面和内表面，保证外表面倒角处镍膜的完整性。 夹具如图3所示，镀镍后的插芯如图4所示。
表5 风电轴承外表面制备镍膜工艺参数
表 5 风电轴承外表面镍膜制备工艺参数
图3 治具示意图
图3 治具示意图
图 4 涂层后的轴承套圈
图4 涂层后的轴承套圈
轴承套圈的表面形貌不容易测量。 在样片外表面制备镍膜，对镀层后的样品进行测量。 镍膜的厚度为4.72μm。 ，膜层致密。 三维形貌如图6所示：表面粗糙度Ra值由镀膜前的0.962μm下降到0.938μm。
图 5 表面形貌
图5 表面形貌图像
图 6 三维地形图
图6 三维形态图像
绝缘性能测试装置如图7所示，绝缘测试仪可以改变电压、升压率、电压变化频率等，通过导线对测试电极施加特定的电压，测试交流击穿电压和直流击穿电压绝缘涂层的电压。 电阻等介电性能参数。
图7 绝缘性能测试装置
图7 绝缘性能测试装置
交流击穿电压测试：电压上限10 000 V，电压上升速率100 V/s，上限保持时间100 s，电流上限20 mA，测试电极结构为部分均匀的电极。
直流电阻测试：电压上限1000V，电压上升速率100V/s，上限保持时间1000s，电流上限1mA，测试电极结构局部均匀电极。
风电轴承涂层前后的交流击穿电压和直流电阻如表6所示：涂层前后的交流击穿电压和直流电阻均有所增加，说明轴承的绝缘性能有所提高。
表6 风电轴承涂装前后的交流击穿电压和直流电阻
表6 风电轴承涂层前后的交流击穿电压和直流电阻
4。结论
为避免绝缘轴承在运输、安装和工作过程中因冲击或微动磨损而损坏陶瓷涂层表面，导致绝缘性能失效，提出采用磁控溅射技术制备绝缘轴承陶瓷涂层表面的金属。 镍膜，通过正交试验确定镍膜制备的最佳工艺参数，在绝缘镀层表面制备镍膜后，提高了轴承绝缘性能，也提高了镀层表面质量. 绝缘涂层表面的金属保护层可以提高绝缘涂层的抗冲击性和耐磨性，有待进一步研究。
结尾
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风电机组绝缘轴承表面保护膜的制备及绝缘性能分析
李全伟1、杨斌2、王海3、李永浩3、杜广宇1
(1.东北大学机械工程及其自动化学院，沉阳 110819；2.沉阳飞机公司，沉阳 110000；3.沉阳乐步真空技术有限公司，沉阳 110136)
摘要：为提高风电绝缘轴承的机械性能和绝缘性能，延长复杂工况下的使用寿命，采用磁控溅射法在轴承陶瓷涂层表面沉积镍膜。 通过设计正交试验，分析了靶电流、负偏压和溅射时间对镍膜表面形貌的影响以及镀层对绝缘镀层表面粗糙度的影响。
结果表明，随着靶电流和负偏压的增大，镍膜表面质量得到改善； 溅射时间对镍膜表面质量影响不大，但对镍膜厚度有影响； 涂装后表面粗糙度值降低s； 当靶电流为4 A、负偏压为300 V、溅射时间为90 min时，镍薄膜表面光滑平整防护膜，薄膜的连续性和致密性最佳，为最佳工艺参数。
风电轴承外表面制备镍膜后防护膜，交流击穿电压由6 100 V提高到6 300 V，直流电阻由23 GΩ提高到95 GΩ。 绝缘性能得到改善，显示工艺的正确性。
关键词：滚动轴承； 风力涡轮机； 绝缘轴承； 磁控溅射； 涂层;
CLC编号：TH133.33；TN305.8
文件代码：B
DOI: 10.19533/j.issn1000-3762.2023.04.003
收到日期：2022-09-22； 修订日期：2022-11-25
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB2007804）； 中央高校基础研究基金专项资助项目（N2203020）
通讯作者：杜光宇（1980—），男，辽宁沉阳人，副教授，主要研究方向为表面工程、真空技术，E-mail：gydu@mail.neu.edu.cn。
