风电技术打破国外垄断，CT系统助力氮化硅陶瓷球表征
随着国内大功率并网风力发电机的相继投入，以及航空航天事业的蓬勃发展，氮化硅陶瓷轴承球在国内外市场需求强劲。然而由于关键工艺缺失，高端氮化硅陶瓷轴承球主要依赖进口。近年来，中材高新氮化物陶瓷有限公司打破国际技术封锁和垄断，研发出独特工艺成功生产大尺寸氮化硅陶瓷球，加速了大功率并网风力发电机关键部件的国产化进程。为了稳定品质，中材引入各项分析技术检测材料性能指标。岛津有幸参与表征工作，将在本辑材料系列中为您呈现。
氮化硅陶瓷与风力发电
氮化硅（Si3N4），作为一种新型现代陶瓷材料，具有热稳定性能好、抗氧化能力强、耐磨性能好、能自润滑等优异性能。因此氮化硅轴承被广泛应用在风力发电、航空航天发动机等高端装备中。
中材高新氮化物的突破
氮化硅陶瓷球的生产工艺主要掌握在美国CoorsTek和日本东芝陶瓷手中，国内高端氮化硅陶瓷轴承球主要依赖进口。近年来，中材高新氮化物陶瓷有限公司打破了国际技术封锁和垄断，研发出独特工艺，实现了大尺寸氮化硅陶瓷球的量产，用于风力发电机绝缘轴承，使产品价格降低近50%，加速了大功率并网风力发电机关键部件的国产化进程。
氮化硅陶瓷轴承球生产工艺之结构控制
氮化硅陶瓷的制备通常采用添加烧结助剂，利用液相烧结原理进行致密化烧结。材料内部诸如气孔等微观缺陷很容易成为失效的起源点，是品质控制中的重要管控项目，在球体烧成后需要在非破坏条件下直接检测气孔率以及孔径等指标。
氮化硅陶瓷轴承球内部结构检测解决方案
岛津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus微焦点X射线CT系统可以无损检测成品中内部孔隙及杂质。在快速的分析内部结构的同时，对于10微米以上孔隙及杂质能够清晰检测。在对氮化硅轴承球的内部结构检测中，SMX-225CT FPD出色地完成了对其内部孔隙和杂质的检测。
岛津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
微焦点X射线CT系统
氮化硅陶瓷轴承球的内部结构观察
图1 氮化硅陶瓷轴承球外观及透视图
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图2 氮化硅陶瓷轴承球MPR图
从图2的图像(1)至(4)中，可以观察到碳化硅陶瓷轴承球在三个直角相交的方向截面图中的孔隙及杂质（黑色点为孔隙，白色点为杂质）
图3 孔隙尺寸测量
图4 杂质尺寸测量
针对CT图像中的孔隙和杂质，使用测量软件对其精确测量。图3是对孔隙进行尺寸测量，测量尺寸为0.013mm；图4是对杂质进行尺寸测量，测量尺寸为0.055mm。
氮化硅陶瓷轴承球的内部结构数据分析
孔隙和杂质参数，与材料的压碎载荷比、硬度和断裂韧性直接相关。杂质及孔隙过多过大都容易使产品断裂。在软件中分析孔隙缺陷，计算出孔隙缺陷分布效果图（图5）。并用不同颜色标注不同大小尺寸的孔隙。
图5 氮化硅陶瓷轴承球孔隙缺陷分布图
图6是该轴承球的CT孔隙缺陷统计图，统计出总体积为261.0925mm³，孔隙缺陷总体积0.1678mm³，孔隙缺陷百分比0.06%。通过特征分布图可直观观察孔隙直径和体积的特征分布。
图 6 氮化硅陶瓷轴承球孔隙缺陷统计图
在CT软件中分析杂质缺陷，计算出杂质缺陷分布效果图（图7）。并用不同颜色标注不同尺寸的杂质。
图7 氮化硅陶瓷轴承球杂质缺陷分布图
图8是杂质缺陷统计图，轴承球总体积为260.2532mm³，杂质缺陷总体积0.4727mm³，杂质缺陷百分比0.18%。通过特征分布图可直观观察杂质直径和体积的特征分布。
图8 氮化硅陶瓷轴承球杂质曲线统计图
小结
在岛津225CT的视野下，氮化硅陶瓷轴承球中孔隙大小、孔隙率，以及杂质信息等一览无余，可供企业对工艺控制参考。解决氮化硅轴承球的生产瓶颈，是中材高新氮化物陶瓷在高端制造业的重要突破，甩开技术桎梏，助力我国风电能源事业腾飞！
撰稿人：张敏 黄军飞
