海上风电机组用N38SH永磁体在盐雾中的性能*

李高盛， 鲁仰辉， 严 帅， 曹 菡， 卢华兴， 刘 伟

(国家电投集团科学技术研究院有限公司， 北京 102209)

随着中国清洁能源战略的推进，海上风电的建设与发展越来越受到重视.但是海上环境恶劣，海上风电机组面临风、浪、流、冰等多种载荷共同作用[1]，受到盐雾、湿、热的综合影响，造成机组维护困难，维护成本高，成为海上风电度电成本难以下降的原因之一[2].因此，为了便于海上风电机组维护就必须结合海洋环境对机组结构强度、材料服役性能、机组发电性能进行针对性研究.其中，永磁体作为永磁直驱型风电机组发电机中的关键材料[3-6]，其在海洋环境中的磁性能演变直接关系到机组发电能力，需要重点研究.

1 试验参数和过程

试验永磁体牌号为N38SH，生产厂家为安泰科技有限公司.样品尺寸φ10 mm×10 mm，分为镀层(Ni-Cu-Ni当前发电机标准镀层)和无镀层样品进行试验对比.盐雾腐蚀试验采用盐雾腐蚀试验机，试验设备如图1所示.盐雾腐蚀试验根据标准《试验Kb盐雾，交变(氯化钠溶液)》(GB/T 2423.18-2000)进行.具体步骤为：盐雾为质量分数5%NaCl溶液，35 ℃下喷雾2 h后40 ℃湿热保温20～22 h为一周期，分别对样品盐雾腐蚀3、6和9周期.镀层样品各组式样编号为T3、T6、T9，无镀层样品各组式样编号为W3、W6、W9，各组样品分别在20、50、80、100、120、150 ℃进行退磁曲线测定、SEM观察以及EDS测试.

图1 盐雾腐蚀设备Fig.1 Salt-spray corrosion devices

2 试验结果

2.1 样品宏观特征

试验完成后各组样品质量如图2所示.可以看出，镀层样品和无镀层样品质量均有下降现象，但镀层样品质量下降不明显，如图3所示，无镀层样品表面锈迹明显，腐蚀层极为疏松，实际已经脱离基体，在称重时为保证不磨损基体没有将腐蚀层完全打磨掉，因此，图2只是反映样品的质量变化趋势，并不是真实质量变化，特别是无镀层样品其基体实际质量应下降更多.

图2 样品盐雾腐蚀后平均质量Fig.2 Average weights of specimens after salt-spray corrosion

图3 9周期腐蚀完成后样品宏观形貌Fig.3 Macro-appearance of specimens after corrosion for 9 cycles

2.2 样品磁性能

图4～9为各组样品主要磁性能的变化情况.图4为各组样品的剩余磁感应强度，可以看到与一般规律相同，随着测试温度升高磁感应强度快速下降.由于磁感应强度表征磁通密度，其与磁体截面积有关，因此，镀层样品在相同体积下有效磁体截面较小，其剩余磁感应强度低于原始样品[7]，而无镀层样品在经过6和9周期盐雾腐蚀后，其表面腐蚀脱落，有效截面变小使其剩余磁感应强度与镀层样品相接近.图5为各组样品的磁感矫顽力测试结果，磁感矫顽力表征的是将磁体磁场完全抵消时所需的反向磁场强度，其是磁体抵抗反向磁场能力的重要指标.可以看到在盐雾腐蚀后，在50～120 ℃的温度区间所有样品的磁感矫顽力均低于原始样品，而在150 ℃时所有样品测试结果非常接近，说明温度仍是影响磁感矫顽力最重要的因素，但在磁体工作温度区间内，盐雾腐蚀使磁体抵抗反向磁场的性能显著下降，其中无镀层样品性能更差.图6为各组样品的膝点矫顽力，表示使磁感应强度降低为初始值0.9倍时的反向磁场强度，可以看到所有盐雾腐蚀样品膝点矫顽力整体下降明显，随着测试温度升高，镀层样品曲线与原始样品基本重合，盐雾腐蚀样品曲线则整体下移，腐蚀周期越长下移幅度越大.图7为各组样品最大磁能积变化曲线，其数值越大说明磁体有效部分越多.可以看到经过盐雾腐蚀后所有样品的最大磁能积均下降，说明无论是否有镀层，样品在盐雾条件下磁体有效部分减少.图8为各组样品内禀矫顽力，表示磁体磁感强度完全归零后的反向磁场强度，其受材料本身特性影响更大，各组样品随温度变化曲线与原始样品对比差异不大[8].图9为样品的方形度曲线，其为膝点矫顽力与内禀矫顽力的比值，表示样品抵抗反向磁场的能力，其规律与膝点矫顽力基本一致.

图4 样品剩余磁感应强度Fig.4 Residual magnetic induction strength of specimens

图5 样品磁感矫顽力Fig.5 Coercive forces of specimens

图6 样品膝点矫顽力Fig.6 Knee point coercive forces of specimens

图7 样品最大磁能积Fig.7 Maximum magnetic energy

图8 样品内禀矫顽力Fig.8 Intrinsic coercive forces of specimens

图9 样品方形度Fig.9 Squareness of specimens

2.3 样品显微形貌

图10为样品基体显微形貌，其为典型粉末烧结形貌，等轴状粉末颗粒被烧结在一起，晶界间有少量熔融相.图11为无镀层样品盐雾腐蚀的显微形貌，盐雾腐蚀后可以看到表面氧化层和基体之间形成了以细碎晶粒为主的过渡层，可以看到过渡层晶粒晶界加深，显示永磁体晶粒从晶界开始向内被腐蚀损失，导致磁体有效体积减少，显微结果符合磁性能参数的变化.图12为镀层样品显微形貌，与无镀层样品类似，虽然其表面有镍镀层保护，但镀层和基体间仍然出现了以细碎晶粒为主的过渡层.试验所采用的永磁体镀层与基体为物理性的机械结合，在样品打磨时会发生机械剥落，因此，镀层与基体间并没有化学连接.另外，Cu、Ni等大原子很难在Fe基合金中扩散，同时，即便扩散导致形成Ni、Cu、Fe的金属间化合物或相应元素的第二相粒子，也不会造成原晶粒从晶界的质量损失，因此，镀层样品中的过渡层应该是盐雾腐蚀导致的晶粒质量损失现象.同样与最大磁能积、磁感矫顽力的试验结果吻合.

图10 样品原始显微形貌Fig.10 Microstructural morphology of original specimen

图11 无镀层样品显微形貌Fig.11 Microstructural morphology of specimen without coating

图12 镀层样品显微形貌Fig.12 Microstructural morphology of specimen with coating

图13、14分别为无镀层样品(9周期腐蚀)和镀层样品(9周期腐蚀)的边界O元素能谱扫描结果.可以看到无论是否有镀层样品，其表面都有氧元素的扩散，但是表现形式不同.无镀层样品是典型的从外向内基体逐渐氧化剥落的形态.而镀层样品从镀层到基体O元素分布没有明显区别，基体部分略有升高.能谱检测结果说明无论有无镀层保护，在盐雾条件下O元素都会侵蚀磁体基体，造成有效磁材料的损失.

图13 无镀层样品边缘能谱结果Fig.13 EDS result of specimen edge without coating

图14 镀层样品边缘能谱结果Fig.14 EDS result of specimen edge with coating

3 分析与讨论

盐雾腐蚀过程为盐雾/湿热交变环境和发电机组实际运行情况相似.从试验结果来看，Ni-CuNi镀层可以对永磁体起到一定的保护作用，但试验样品的最大磁能积、磁感矫顽力等关键磁性能仍然在盐雾/湿热交变条件下显著降低.在电机设计中永磁体最大磁能积决定了电机的能量转化效率，而磁感矫顽力代表电机在运行过程中抵抗反向磁场的能力[9-10]，如果该数值达不到规定值，则磁体磁感应强度逐渐减低，直至失效.也就是说，风电机组在海上环境运行时除了要对磁体本身进行一定保护外，更关键的是对其运行环境进行密封隔绝O、Cl等氧化元素.

一个值得注意的方面是，在试验条件下能谱检测并没有测出Cl原子扩散，反而O原子扩散是材料腐蚀的主要原因，这可能是由于：1)在试验条件下，试样暴露在Cl-离子中的时间比例远小于O2-离子；2)Cl-离子比O2-离子重，体积大，在金属晶体中更难扩散；3)能谱分析存在一定误差，特别是在镀层保护样品中其O元素扩散分布规律并不明显，需要通过进一步检测手段进行分析(磁体是粉末烧结样品，可选用的元素分析手段较少，需要进一步调研)；4)可能存在Cl-离子促进O2-离子扩散的现象，两种氧化性离子互相促进扩散的现象并没有相关报道，可能在Cl-离子短时间作用后，O2-离子更容易发生扩散从而穿过镀层.

虽然可以看到镀层和无镀层样品试验后基体边缘的显微形貌比较近似，但SEM和NES无法分辨其物相结构是否发生变化，存在不同腐蚀机理导致不同物相结构显示出相似形貌的可能，因此，需要在后续试验中进行XRD、XFS试验，分析腐蚀区域物相确定腐蚀机理.

4 结 论

本文试验确定了盐雾腐蚀对永磁体性能的影响，为永磁体在海上风电机组中的保护提供了研究基础，但对腐蚀机理方面还需要在后续工作和项目中进一步研究，试验得到以下结论：

1) 盐雾腐蚀会削弱镀层/无镀层永磁体磁性能，主要是减少有效磁体积，导致最大磁能积、磁感矫顽力降低；

2) Ni-Cu-Ni对磁体有一定保护作用，但不足以抵消盐雾腐蚀的影响，经试验后的镀层样品也不能满足发电机的使用要求；

3) 在海上环境中，除对永磁体进行表面保护外，更重要的是对其进行密封隔绝Cl-离子和O2-离子.