Micro cracks in wind turbine bearings Investigation of microstructural characteristics and nanomechanical properties in White Etching Cracks (WEC)

Abstract

De siste tiårene har det vært en økning i verdens produksjonskapasitet fra vind-energi for å nå klima- og energimål. For fortsette å øke produksjonskapasiteten av fornybar energi er det viktig å holde drifts og vedlikeholdskostnadene lave, men, ulike feilmekanismer koster industrien millioner hvert år. En av disse feilmekanismene er sprekker med et hvitetsende område rundt sprekkflatene, kalt ‘White Etching Cracks’ (WECs). WECs dannes i gir og lagre etter moderat belastning og antall sykluser. Skaden leder ofte til tidlig utmattelse av materialet, ofte så tidlig som etter 5-10 \% av en estimert livstid på 20 år.

WECs er veldig karakteristiske grunnet dette hvitetsende området kalt ‘White Etching Matter’ (WEM) i sprekkområdet. WEM inneholder nanokrystallinsk ferritt, som dannes gjennom en transformasjon av martensitt mikrostruktur via en lav-temperatur rekrystalliseringsprosess. Initierings- og formasjonsmekanismene debatteres enda, men det er en bred enighet om at sprekken dannes før WEM, og at sprekken er årsaken til at det dannes WEM. Tomrom, karbider og andre stress elementer som øker stresset i materialet har blitt nevnt som sprekkinitieringspunkt, men inneslutninger har vist seg å være det mest hyppige initieringspunktet.

Denne studien har som mål å bidra til en økt forståelse av initierings- og forplantningsmekanismene til WEC og hvordan de mekaniske egenskapene påvirkes av WEM, gjennom en detaljert mikrostrukturell karakterisering av WEC sine egenskaper i ett 100Cr6 gjennomherdet martensittisk lagerstål. En kombinasjon av karakteriseringsteknikker, som skanningelektronmikroskopi (SEM) kombinert med diffraksjon av tilbakespredte elektroner (EBSD), tilbakespredt elektron (BSE) avbildning og energi spredende røntgen spektroskopi (EDS), mikrosonde (EPMA) og hardhetsmålinger ved hjelp av nanoinnentering har blitt brukt i denne studien. Resultatene ble sammenlignet med ett 18CrNiMo7-6 settherdet stål delvis undersøkt med EPMA i denne studien og tidligere undersøkt med SEM, EBSD, BSE og nanoindentering under forfatterens prosjektoppgave.

Analysen utført på 100Cr6 gjennomherdet lagerstål fant mange WECs i startfasen av sprekkformasjon i en begrenset del av lagerets ytre løp. Driverne for sprekk-initieringen ble foreslått å være hydrogendiffusjon inn i materialet på grunn av en kombinasjon av elektrisk spenning og en WEC framkallende lubrikant. Initierings-punkt var små MnS og flerfasede inneslutninger. Mikrostrukturelle egenskaper som forskjeller i kornstørrelse, hulrom, sprekkrester og masseoverføring til WEM ble foreslått som bevis på at WEM dannes på grunn av sprekkflater som gnis mens sprekken beveger seg normalt til overflaten gjennom materialet. WEM ble funnet å være karbonfattig sammenlignet med matrix på grunn av karbidoppløsning. En \\ 36 \% økning i hardhet ble observert i WEM sammenlignet med matrix, sannsynligvis på grunn av redusert kornstørrelse, høye dislokasjonstettheter og høyt karboninnhold.

EPMA-undersøkelsen av det settherdede stålet viste at karbonkonsentrasjonen var homogenisert gjennom hele WEM og matrix. Under sammenligningen av resultatet ble det funnet at de mikrostrukturelle egenskapene inne i WEM var de samme i begge stålkvaliteter, selv om karboninnholdet var høyere i det gjennomherdede og hardheten til WEM var høyere i settherdet stål.

Over the last decades, there has been an increase in wind power capacity to reach renewable energy targets. To continue the growth of the renewable energy power capacity it is important to keep the operation and maintenance costs low, however, different failure mechanisms cost the industry millions every year. One of these failure mechanisms is White Etching Cracks (WECs). WECs develop in gears and bearings at moderate load and cycles, and the damage often leads to early fatigue, often only after 5-10 % of the estimated lifetime of 20 years.

WECs are characteristic due to the White Etching Matter (WEM) which is found at the crack faces. The WEM consists of a nano-crystalline ferrite which requires a microstructural transformation from the martensitic bulk microstructure through a low-temperature recrystallization process. The initiation and formation mechanisms of WEM are still under debate, however, there is broad consensus that the crack is responsible for WEM formation. Although voids, carbides, and other stress raisers have also been proposed as initiators, inclusions have been proven to be the most frequent initiating point.

This study aims to contribute to an increased understanding of the initiation and propagation mechanisms of WEC and how the mechanical properties are affected by the WEM, through a detailed microstructural characterisation of WEC features in a 100Cr6 through-hardened martensitic bearing steel. A combination of characterisation techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM) combined with Electron Backscatter Diffraction (EBSD), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and Backscatter Electron (BSE) imaging, Electron Probe Microanalysis (EPMA) and nanoindentation hardness measurements have been used in this study. The results have been compared to an 18CrNiMo7-6 case-hardened steel, partly investigated with EPMA in this study and previously investigated with SEM, EBSD, BSE and nanoindentation during the authors' project thesis.

The analysis conducted on the 100Cr6 trough hardened steel found many WEC in the initiation stage in a limited section of the bearing outer race. The drivers of the crack initiation were suggested to be hydrogen diffusion into the material due to a combination of electrical current and 'bad lubricant'. Initiation points were found to be small MnS and dual-phase inclusions. Microstructural features such as differences in grain size, voids, crack residues and mass transfer into WEM were suggested as evidence that WEM is created due to crack faces rubbing while the crack is moving normal to the surface through the material. The WEM was found to be carbon depleted compared to the parent material due to carbide dissolution. A 36 % increase in hardness was observed in the WEM compared to the matrix, likely due to reduced grain size, high dislocation densities and high carbon content.

The EPMA investigation of the case-hardened steel found that the carbon concentration was homogenised throughout the WEM and matrix. During the comparison of the two steel grades, it was found that the microstructural features inside the WEM were the same in both steels, although the carbon content was higher in the through-hardened and the hardness of the WEM was higher in the case-hardened steel.