‌中国报告大厅网讯，风能作为资源丰富且利用效率高的可再生能源，已成为全球能源转型的核心支柱之一。近十几年来，风电产业持续高速发展，截至2022年底，风电机组累计装机量已超过18万台，风电轴承作为风电机组的关键核心部件，其运行可靠性直接决定机组的服役寿命与运维成本。风电轴承工作环境恶劣，需承受阵风、湍流带来的随机载荷，以及机组频繁启停产生的瞬时载荷和自身重力带来的巨大载荷，交变的轴向、径向载荷与倾覆力矩使其极易发生多种失效形式，其中微动磨损是导致风电轴承失效的主要诱因之一。为解决这一行业痛点，表面改性技术成为提升风电轴承抗磨损性能的关键路径，类石墨碳基薄膜因具备高硬度、低内应力、优良自润滑性等优势，在风电轴承表面强化领域展现出广阔应用前景，而通过引入过渡层优化薄膜结构以进一步提升其抗微动磨损性能，已成为2025年风电轴承行业技术研发的重要方向。以下是2025年风电轴承行业技术分析。

  风电轴承的微动磨损是由摩擦副间微幅相对振荡运动与循环应力载荷共同作用产生的磨损形式，会导致接触面摩擦损伤、疲劳裂纹萌生甚至剥落，大幅缩短风电轴承使用寿命。为降低微动磨损危害，行业内普遍采用表面处理提高接触面硬度、使用润滑剂降低摩擦因数等技术手段，其中类石墨碳基薄膜的应用研究备受关注。相较于类金刚石涂层内应力大、与基体结合力差易剥落的缺陷，类石墨碳基薄膜以sp2杂化键为主，兼具高硬度与优良自润滑性能，但其在风电轴承抗微动磨损场景中的应用效果仍需深入验证。同时，将高硬度的CrN作为过渡层引入类石墨碳基薄膜体系，探究其对风电轴承抗微动磨损性能的提升作用，对推动风电轴承行业表面强化技术升级具有重要现实意义。

  一、风电轴承用类石墨碳基薄膜的制备与测试体系构建

  《2025-2030年中国风电轴承行业市场调查研究及投资前景分析报告》指出，针对风电轴承常用的100CrMnMoSi8-4-6轴承钢，采用非平衡磁控溅射技术制备两种类石墨碳基薄膜，分别为Cr过渡层类石墨碳基薄膜(标记为S1)和Cr-CrN过渡层类石墨碳基薄膜(标记为S2)，同时选取未镀膜的100CrMnMoSi8-4-6轴承钢作为对照组(标记为S0)，S0的硬度值为HRC59.3。

  薄膜制备工艺遵循严格的分步流程：第一步为基体清洗，耗时20分钟，氮气流量0sccm，Cr靶电流0.3A，C靶电流0A，基体偏压200~400V;第二步为靶清洗，耗时5分钟，氮气流量0sccm，Cr靶电流0.3~5A，C靶电流0A，基体偏压400~120V;第三步为Cr打底层制备，耗时10分钟，氮气流量0sccm，Cr靶电流5A，C靶电流0.2A，基体偏压120~65V，随后制备Cr/C过渡层，耗时30分钟，氮气流量0sccm，Cr靶电流5~0.2A，C靶电流0.2~5A，基体偏压60V;第四步为CrN/C过渡层制备(仅S2薄膜)，耗时25分钟，氮气流量10~20sccm，Cr靶电流5~0.2A，C靶电流0.2~5A，基体偏压60V;第五步为GLC工作层制备，耗时160分钟，氮气流量0sccm，Cr靶电流0.2A，C靶电流5A，基体偏压60V。

  为全面评估薄膜性能，构建了完整的测试体系：采用场发射扫描电子显微镜观察薄膜表面及截面形貌;通过拉曼光谱仪(激光波长514nm)分析薄膜结构;利用纳米压痕仪(120°锥角Berkovich压头，最大压入深度为薄膜厚度的1/10，每个试样选取5个测点取平均值)测试硬度和弹性模量;借助划痕仪(120°金刚石压头，法向加载范围0~100N)测试膜基结合力;使用摩擦磨损试验机进行微动磨损性能测试，摩擦对偶为φ9.525mm的100CrMnMoSi8-4-6钢球，试验参数设定为行程100μm、法向载荷20N、频率5Hz、循环周期36000次。试验后通过白光干涉仪观察磨痕截面轮廓，采用公式W=Sl/(F₀L)计算比磨损率(其中W为比磨损率，单位m³/(N·m);S为磨痕截面积，单位m²;l为往复长度，单位m;F₀为法向载荷，单位N;L为磨损总行程，单位m)。

  二、风电轴承用类石墨碳基薄膜的微观结构与力学性能特征

  (一)微观形貌分析

  测试结果显示，S1薄膜厚度为1.82μm，S2薄膜厚度为2.05μm。两种薄膜从基体到膜层表面均呈现明显分层结构，Cr/C过渡层和CrN/C过渡层均有柱状生长趋势，但对非晶碳膜生长的影响存在显著差异。S1薄膜的GLC工作层保持明显柱状生长，未被Cr/C过渡界面打断;而S2薄膜受CrN/C过渡层影响，柱状生长趋势被打断，有效减少了膜层沉积过程中产生的本征缺陷。表面形貌方面，两种薄膜均呈现清晰的“岛状”形貌，颗粒间隙明晰，颗粒大小均匀且结构致密，无明显缺陷，这一形貌特征为提升风电轴承表面耐磨性奠定了结构基础。

  (二)拉曼光谱特征

  拉曼光谱分析显示，S1和S2薄膜在800~2000cm⁻¹区间均呈现不对称宽峰，由约1350cm⁻¹处的D峰和1560cm⁻¹处的G峰叠合而成，且D峰强度远大于G峰强度。经高斯拟合后，S1薄膜的G峰半峰宽为127.99cm⁻¹，G峰位置为1565.65cm⁻¹，D峰与G峰的强度比值(I_D/I_G)为1.85;S2薄膜的G峰半峰宽为130.03cm⁻¹，G峰位置为1562.40cm⁻¹，I_D/I_G比值为1.61。I_D/I_G比值反映sp²与sp³杂化键的相对比例，比值增大意味着sp²杂化键含量增加，因此S1薄膜的sp²杂化键占比更高，石墨化程度更显著，而S2薄膜的sp³杂化键相对含量更高，这一结构差异对两种薄膜的力学性能和抗磨损性能产生了重要影响。

  (三)力学性能表现

  硬度和弹性模量测试结果表明，S1薄膜的硬度为15.7GPa，弹性模量为165.9GPa;S2薄膜的硬度和弹性模量分别达到19.0GPa和195.6GPa，均展现出较高的力学性能水平。进一步计算可知，S2薄膜的H³/E²值为0.18GPa，大于S1薄膜的0.14GPa，说明S2薄膜的抗塑性变形能力更优。这一优势的形成源于两方面：一是CrN过渡层的硬度高于纯Cr过渡层，作为承载过渡层显著提升了S2薄膜的整体硬度;二是S2薄膜工作层柱状生长被打断，结构缺陷更少，且sp³杂化键相对含量更高，进一步强化了力学性能。

  膜基结合力测试结果显示，S1薄膜在加载力72N时出现摩擦力突变，结合划痕形貌判断其膜基结合力为72N;S2薄膜的结合力为68N，略低于S1薄膜。经测定，S1薄膜的残余应力为3.65GPa，S2薄膜的残余应力为6.52GPa，推测S2薄膜结合力较低与CrN过渡层内应力过大相关，过渡层内应力会削弱类石墨碳基薄膜与风电轴承基体的结合强度，增加剥落风险。

  三、风电轴承用类石墨碳基薄膜的抗微动磨损性能与机制分析

  (一)微动磨损过程特征

  摩擦力-位移-循环次数(F₁-D-N)曲线分析表明，整个微动磨损过程中，S0、S1、S2三组试样的F₁-D曲线均围成平行四边形，说明接触表面均发生完全相对滑移。F₁-D曲线围成的图形面积代表摩擦耗散能，可直观反映微动磨损损伤程度，其中S0试样的曲线围成面积远大于S1和S2试样，表明未镀膜风电轴承基体的微动磨损损伤程度显著高于镀膜试样。

  摩擦因数曲线显示，摩擦初期三组试样的摩擦因数均存在较大波动，随后进入稳定阶段，这是由于微动循环初期摩擦副表面的微小凸起被逐渐磨平所致。稳定阶段后，未镀膜试样的摩擦因数波动程度大于镀膜试样。三组试样的平均摩擦因数分别为：S0试样0.485、S1试样0.116、S2试样0.086。相较于未镀膜试样，S1和S2试样的平均摩擦因数分别降低76%和82%;S2试样相较于S1试样，摩擦因数进一步降低26%，表明两种类石墨碳基薄膜均能显著降低风电轴承接触面的摩擦因数，且S2薄膜的减摩性能更优。值得注意的是，S1试样的摩擦因数曲线在22000~30000次循环间出现大幅波动，从0.085急剧上升至0.23，最高达到0.35，约在30000次循环时回落至0.11，结合其F₁-D曲线在24000次循环处围成面积增大的现象，推测该阶段S1薄膜已被磨穿至风电轴承基体。

  (二)磨损程度与磨损率对比

  磨痕轮廓曲线与比磨损率测试结果显示，S0、S1、S2试样的磨痕深度分别为16.2μm、4.54μm、1.08μm，磨痕宽度分别为856.65μm、237.96μm、208.68μm，未镀膜试样的磨痕宽度和深度均远大于镀膜试样，直观体现了类石墨碳基薄膜对风电轴承的保护作用。根据公式计算，S0试样的比磨损率为5.64×10⁻¹⁵m³/(N·m)，S2试样的比磨损率为8.39×10⁻¹⁷m³/(N·m)，相较于未镀膜试样降低98.51%;S1试样的磨痕深度大于其膜厚1.82μm，表明薄膜已被磨穿，故未计算其磨损率，但从磨痕尺寸可判断其磨损率仍远低于S0试样，证明两种类石墨碳基薄膜均能大幅降低风电轴承接触面的微动磨损损伤，其中S2薄膜的抗微动磨损性能更优，这与其更高的硬度和抗塑性变形能力密切相关。

  (三)微动磨损机制差异

  三组试样在微动磨损过程中呈现不同的磨损机制：S0试样的磨痕表面存在大量黑色块状凸起和犁沟，块状凸起区域检测到高含量的Fe和O，主要以FeO和Fe₂O₃形式存在，其他区域Fe含量极高，表明未镀膜风电轴承基体发生了严重的磨粒磨损和氧化磨损。S1试样的磨痕由内而外分为严重磨损区、过渡区和轻微磨损区，严重磨损区内薄膜出现较多裂纹，这些裂纹在高频反复加载作用下不断扩展，导致薄膜发生局部脆性剥落，剥落处检测到高含量的Fe和O，结合摩擦因数曲线和磨痕深度可判断薄膜已被磨穿;轻微磨损区仍检测到一定含量的C和Cr，表明类石墨碳基薄膜与对偶球摩擦形成的碳转移膜仍发挥部分固体润滑作用，其磨损机制为严重的磨粒磨损、氧化磨损和剥落。S2试样的磨痕较浅，仅存在较多犁沟，磨痕区域小于S0和S1试样，磨痕多个区域仍检测到高含量的C和Cr，说明GLC工作层形成的转移膜仍残留并发挥润滑作用;部分褶皱区域检测到一定含量的N，推测为GLC层磨损后裸露的CrN过渡层，CrN的高硬度与S2薄膜优良的抗塑性变形能力使其能够抵抗外部高频荷载，不易产生微裂纹;磨痕表面还检测到少量Fe信号，推测为对偶球材料黏着所致，因此S2薄膜的磨损机制为磨粒磨损和轻微的黏着磨损。

  四、研究结论与风电轴承技术应用展望

  本研究通过对两种类石墨碳基薄膜的微观结构、力学性能及抗微动磨损性能的系统测试与分析，得出以下核心结论：一是Cr过渡层和CrN承载过渡层均呈现明显的柱状生长趋势，但Cr-CrN-GLC薄膜(S2)的工作层因CrN承载层的影响，柱状生长趋势被打断，形成缺陷更少的碳键结构;相较于S2薄膜，Cr-GLC薄膜(S1)的sp²杂化键含量更高，石墨化程度更显著。二是S2薄膜的硬度、弹性模量和H³/E²值均高于S1薄膜，分别达到19.0GPa、195.6GPa和0.18GPa;由于CrN过渡层内应力较大(6.52GPa)，S2薄膜的膜基结合力(68N)略低于S1薄膜(72N)。三是两种类石墨碳基薄膜均能显著提升风电轴承的抗微动磨损性能，相较于未镀膜试样，S2薄膜的磨损率降低98.51%，表现出最优的抗微动磨损性能;未镀膜风电轴承行业基体的磨损机制为严重的磨粒磨损和氧化磨损，S1薄膜为严重的磨粒磨损、氧化磨损和剥落，S2薄膜为磨粒磨损和轻微的黏着磨损。

  此次研究证实，Cr-CrN-GLC薄膜凭借其优良的力学性能和抗微动磨损性能，为风电轴承表面强化提供了高效解决方案。在2025年风电轴承行业技术升级的背景下，该薄膜技术有望通过进一步优化过渡层结构、降低内应力、提升膜基结合力，实现更广泛的工业化应用，从而有效延长风电轴承的使用寿命，降低风电机组运维成本，为风电产业的高质量发展提供核心技术支撑。未来，针对极端工况下风电轴承的性能需求，可进一步开展类石墨碳基薄膜的多元素掺杂改性研究，持续提升其在复杂环境中的适应性和可靠性。