海上风力发电不仅有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，还可以有效缓解陆地空间紧张的问题，增强能源供应的稳定性和安全性[1-2]。然而，海上风电设施面临着比陆地风电更为苛刻的环境条件，如盐雾、湿度、温度、风力和海浪等[3-5]，这些因素极大地增加了设备的维护难度和成本，尤其对风电机组中的金属部件，如轴承、塔筒等[6-7]。随着海上风电机组装机量增加，风电机组的故障率和可靠性也越来越受到重视，其中轴承故障已经成为影响风电机组可靠性的关键[8]。

轴承是海上风力发电机组的核心部件之一，也是最薄弱的环节之一。据统计轴承类故障占我国风力发电机组总故障的74%，而腐蚀因素占约40%，其中不乏运行不到3 a即失效的案例[9]。服役寿命远不如预期（风电行业要求20 a），导致风机长期停运甚至提前报废。海上风电轴承部件服役工况复杂且恶劣，在静态条件下，风机轴承持续受到C4级及以上腐蚀性等级的海洋环境腐蚀作用，部分轴承（如变桨、偏航轴承）直接暴露于海洋大气环境，受到高湿、高盐、长时间润湿的多重作用[10-11]，腐蚀性等级达到甚至超过C5级。在工作状态下，风机轴承还将承受机器运转导致的高温度、复杂工作载荷的耦合作用[12-13]。风机运行时，舱内温度将随着机器启动及转速提升发生改变，轴承部件的环境温度将在30~70 ℃波动，最高可能达到80 ℃[14]。与此同时，轴承部件转动时还将承受高冲击、振动及径向接触应力等载荷耦合作用，温度场和力场的叠加将使得其所处环境的腐蚀性更加恶劣。然而，当前大部分研究关注轴承钢强韧性、高的抗疲劳性和耐磨性等方面[15-17]，对其服役过程中的腐蚀问题缺乏系统研判和机制认识，使得海上风电机组存在巨大安全隐患，这阻碍了我国风电装备国产化进程。

因此，笔者以42CrMo轴承钢为研究对象，通过电化学测试、腐蚀形貌分析等对其在模拟海洋环境中的电化学行为进行了研究，并针对轴承运转时带来的温度变化对其腐蚀行为的影响进行了探究，相关研究结果有助于加深对海上风电轴承部件腐蚀失效的认识，为海上风电装备发展提供支撑和帮助。

1. 试验

1.1 试验材料

试验用轴承材料为42CrMo合金钢板，其主要成分如表1所示。从钢板上切取尺寸为10 mm×10 mm×3 mm的块状样品，通过SiC砂纸逐级（至2000号）打磨，机械抛光至镜面，随后用去离子水和酒精依次清洗表面。将抛光后的试样表面通过4%（体积分数）硝酸酒精侵蚀8~10 s，将其置于光学显微镜（光镜）下观察金相组织，结果如图1所示。由图1可知，42CrMo钢的微观组织主要由板条状贝氏体和针状铁素体组成，未观察到明显的夹杂物和奥氏体晶界特征。

图 1 42CrMo轴承钢的显微组织

Figure 1. Microstructure of 42CrMo bearing steel

1.2 电化学测试

选用传统的三电极体系在CS350M电化学工作站上进行电化学测试，其中：42CrMo钢为工作电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，Pt片为对电极。从钢板上切取尺寸为10 mm×10 mm×3 mm的块状样品，用导线焊接后，环氧树脂密封暴露1 cm2的工作面积，并将工作面用砂纸逐级（至1500号）打磨。将工作电极浸泡在3.5%（质量分数，下同）NaCl溶液中，测试温度为25，30，40，50，60，70 ℃，测试时间分别为0，3，7，15，30 d。电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线测试前，先开展至少20 min的开路电位（OCP）测试，以判断系统是否达到稳定。随后，在不同条件下进行EIS测试，扰动电位为10 mV，测试频率为0.01 Hz~100 k Hz。动电位极化测试的电位扫描范围为-0.4~0.5 V（相对于OCP），扫描速率为0.5 mV/s。

1.3 浸泡试验

从42CrMo钢板上切取尺寸为25 mm×10 mm×3 mm的矩形试样，用砂纸逐级（至1500号）打磨，置于3.5%NaCl溶液中分别浸泡3，7，15，30 d，试验温度为25 ℃。浸泡结束后取出试样，置于光学显微镜下观察其表面腐蚀产物形貌，随后利用除锈液去除表面腐蚀产物，观察其腐蚀形貌特征。

2. 结果与讨论

2.1 温度对42CrMo钢电化学性质的影响

图2为42CrMo钢在不同温度下的OCP曲线。由图2可知，各温度条件下，42CrMo钢的OCP均快速降低并在浸泡400 s后逐渐趋于稳定。25 ℃时，42CrMo钢的OCP约为-0.585 V，随着温度的升高，OCP逐渐降低，当温度升至60 ℃和70 ℃时，42CrMo钢的OCP稳定在约-0.7 V，相较于25 ℃时的降低了约115 mV。由OCP的变化规律可知，温度升高增加了42CrMo钢的电化学活性。

图 2 42CrMo轴承钢在不同温度下的OCP曲线及其稳定值

Figure 2. OCP curves (a) and stability values (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures

图3为42CrMo轴承钢在不同温度3.5%NaCl溶液中的EIS曲线。由图3（a）看出，所有温度下42CrMo钢的Nyquist图均表现为一个较大的半圆弧，这通常意味着其具有容抗特征。随着温度升高，容抗弧的半径迅速降低后逐渐趋于稳定。通常，容抗弧半径降低意味着电化学反应阻力减小，即腐蚀加速。由Bode图中的相位角变化可知，各温度条件下，中-低频区域均有一个较宽的峰值范围，根据文献，可推断影响该电极反应过程的时间常数可能有2个[18-19]。因此，本文选用图3（a）中的等效电路图对所得EIS曲线进行了拟合，等效电路中各元件的含义如下[20]：Rs为溶液电阻，Rf和Qf为腐蚀产物电阻和相应的常相位角元件，Rct为电荷转移电阻，Qdl为双电层对应的常相位角元件。依据上述等效电路拟合得到的电化学参数值如表2所示，由表可知，随着温度的升高，Rct从4 020 Ω·cm2迅速降低并逐渐稳定在500 Ω·cm2附近。Rct反映金属失去电子的困难程度，其值越小意味着金属耐蚀性越差。显然，温度升高降低了3.5%NaCl溶液中42CrMo轴承钢的耐蚀性，这与前文OCP的变化规律保持一致。

图 3 42CrMo轴承钢在不同温度下的Nyquist图和Bode图

Figure 3. Nyquist plots (a) and Bode plots (b) of 42CrMo bearing steel at different temperatures