孔德群，裴艷敏，邢立業(yè)，崔 燾，李 珍

（1北京奇峰聚能科技有限公司，光伏材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100010；2哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著超導(dǎo)磁懸浮、高強(qiáng)度纖維制造以及電力電子技術(shù)的新發(fā)展，儲(chǔ)能飛輪的制備技術(shù)也不斷取得飛躍式的突破。飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度大、能量轉(zhuǎn)換率高、使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、可重復(fù)深度放電等，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前已在軍事[1-2]、交通[3-4]、能源[5]、石油機(jī)械[6]、宇航[7-8]等領(lǐng)域投入運(yùn)營(yíng)，成為高效的綠色環(huán)保儲(chǔ)能方式。

儲(chǔ)能飛輪的儲(chǔ)能密度與比強(qiáng)度呈正比關(guān)系，因而開發(fā)與制備高比強(qiáng)度材料的飛輪轉(zhuǎn)子是提高其儲(chǔ)能能力的重要途徑。文獻(xiàn)資料顯示，儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子材料具有多樣性的特點(diǎn)，早期選用金屬材料制作飛輪轉(zhuǎn)子，為了滿足不斷提高儲(chǔ)能密度的技術(shù)需要，逐漸發(fā)展為復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子。復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子一般選用高強(qiáng)度纖維/環(huán)氧樹脂[6]作為輪緣的回轉(zhuǎn)體材料，而選用高強(qiáng)度的金屬作為輪轂材料。優(yōu)質(zhì)金屬材料的研究與發(fā)展仍是制約儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子性能與壽命的重要因素。本文重點(diǎn)關(guān)注金屬飛輪轉(zhuǎn)子材料與復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子輪轂金屬材料的加工工藝與使用性能的研究現(xiàn)狀。

1 材料選擇

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中最主要的儲(chǔ)能部件是超高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的服役條件極其苛刻，這就要求轉(zhuǎn)子材料具有足夠高的力學(xué)性能以承受巨大的應(yīng)力。飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度與其比強(qiáng)度呈正比，因而材料的比強(qiáng)度越高，轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度越高。

1.1 金屬轉(zhuǎn)子材料

金屬轉(zhuǎn)子主要選用鋼鐵材料制作，早期常采用鑄鋼和普通碳素鋼經(jīng)鑄造或鍛造而成，如圖1顯示了Active Power公司的鍛鐵飛輪轉(zhuǎn)子。美國(guó)Vycon公司的飛輪是用航天級(jí)別鋼材來儲(chǔ)能的，其公司官網(wǎng)的解釋是，鋼材是易理解、易供應(yīng)的材料，并且本質(zhì)上沒有技術(shù)性或?qū)嵱眯缘娘L(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)以不同的臨界模式旋轉(zhuǎn)達(dá)到其最大極限轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子裝配能夠保持平衡以及結(jié)構(gòu)完整性。隨著儲(chǔ)能密度要求的不斷提高，對(duì)轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度要求也日益增加，因而開發(fā)出了高強(qiáng)度鍛鐵[9]、高強(qiáng)度鋼[10-11]、鋁合金[12-13]等，如日本IHHI公司[13]就采用了7075高強(qiáng)鋁合金。而國(guó)內(nèi)金屬材料轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能飛輪試驗(yàn)研究集中在某些高校和研究所，企業(yè)單位很少涉及此領(lǐng)域。曹操[14]設(shè)計(jì)的飛輪轉(zhuǎn)子材料選用硬鋁合金 LY25，轉(zhuǎn)速達(dá)20 000 r/min時(shí)應(yīng)力值小于該鋁合金的屈服強(qiáng)度。張建成[15]制備的334 kg的高強(qiáng)度鋼飛輪應(yīng)用于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)工程。

1.2 金屬輪轂材料

圖1 Active Power公司鍛鐵的飛輪轉(zhuǎn)子Fig.1 Forged iron flywheel rotor by Active Power Company

復(fù)合材料飛輪具有比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到較高的儲(chǔ)能密度，因此復(fù)合材料是目前國(guó)內(nèi)外制作飛輪的首選材料。1973年P(guān)ost開發(fā)了復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪，由于選用的材料是比強(qiáng)度較高的玻璃纖維和凱夫拉爾纖維[16]，因而儲(chǔ)能密度得到大幅提升。此后許多公司和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室也開始積極投入到玻璃纖維[17]或碳纖維[18-19]復(fù)合材料飛輪系統(tǒng)的研制中，取得了一些前沿的研究成果。

復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子主要由金屬材料的輪轂以及復(fù)合材料的輪緣回轉(zhuǎn)體組成，如圖2所示。輪轂要承受高速旋轉(zhuǎn)帶來的巨大負(fù)荷，因此要求具有非常高的強(qiáng)度，鈦合金[18,20-21]、鋁合金[22-23]以及高強(qiáng)鋼[24-25]等金屬成為目前國(guó)際上制作輪轂的常用材料。例如，Aanstoos等[18]研制的適用于公共汽車的復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，就是采用金屬鈦芯軸加碳纖維的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；Beacon Power公司[24]生產(chǎn)的飛輪采用當(dāng)前世界最先進(jìn)的高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料輪緣、金屬輪轂與金屬軸，工作轉(zhuǎn)速30 000～100 000 r/min，已完成世界上最大的20 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝運(yùn)營(yíng)。國(guó)內(nèi)在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)方面的研究起步較晚，但也取得了一定的成果。例如，馬立等[21]制造的碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，輪轂采用 TC4鈦合金經(jīng)精密加工而成。戴興建等[22-23]主持的復(fù)合飛輪系統(tǒng)的探索性研究所設(shè)計(jì)的飛輪采用混合材料，輪緣外層為T700碳纖維，內(nèi)層為高強(qiáng)2號(hào)玻璃纖維，內(nèi)部輪轂為7050鋁合金，輪緣與芯軸通過薄壁環(huán)殼與圓板復(fù)合鋁合金輪轂連接，最高轉(zhuǎn)速約為 40 000 r/min，儲(chǔ)能密度35 W·h/kg。魏學(xué)敏等[25]利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、優(yōu)化選擇輪轂材料，對(duì)比了馬氏體時(shí)效鋼3J33、S06和鈦合金TC4三種材料，經(jīng)安全系數(shù)與強(qiáng)度校核后，輪轂材料優(yōu)選3J33。

圖2 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子Fig.2 Composite flywheel rotor by Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics

2 形狀設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[26-27]要綜合考慮各方面的因素：首先是增大儲(chǔ)能密度，如提高轉(zhuǎn)速、減輕質(zhì)量等；其次是工藝可行性調(diào)研，如制造工藝與裝配工藝等；最后還要考慮經(jīng)濟(jì)成本的合理性，如物料費(fèi)、加工費(fèi)以及時(shí)間成本等。目前的轉(zhuǎn)子類型主要有圓盤、圓柱體、多層圓柱體、環(huán)形、紡錘狀、傘狀等結(jié)構(gòu)形式。最大儲(chǔ)能密度公式[28]為

式中，ek,m和 ek,v分別為與形狀因子有關(guān)的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能量（W?h/kg）和單位體積儲(chǔ)能量（W?h/m3）；K為形狀因子；σmax為飛輪的最大應(yīng)力，Pa；ρm和 ρv分別為質(zhì)量密度（J/kg）和體積密度（J/m3）。對(duì)于平面應(yīng)力，圓盤的高度對(duì)比其直徑是很小的，泊松比為0.3的均勻的各向同性材料（如鋼材）形狀因子K如圖3所示。

圖3 常見飛輪的形狀因子[28]Fig.3 Shape factor of common flywheels[28]

金屬材料轉(zhuǎn)子一般采用實(shí)心的圓盤結(jié)構(gòu)，例如日本原子能研究所的飛輪儲(chǔ)能發(fā)電裝置中，碳素鋼轉(zhuǎn)子就是實(shí)心圓盤結(jié)構(gòu)的[29]；Active Power公司生產(chǎn)的金屬材料飛輪，輪緣采用8個(gè)均勻分布的凹圓弧面形狀與螺紋孔的形式減重。對(duì)于金屬材料的飛輪，不存在等應(yīng)力設(shè)計(jì)的問題，圓柱、圓盤或圓板加工方便、形狀系數(shù)也比較大，金屬材料轉(zhuǎn)子多采用該形狀[22]。

復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子多采用輪轂式結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料與金屬輪轂多采用過盈裝配[18]或膠接[21]的形式連接起來。復(fù)合材料輪緣多采用等厚多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，金屬輪轂多采用掏挖輻條孔或空心圓柱的形式減重，如長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料飛輪，但也有實(shí)心的金屬圓柱結(jié)構(gòu)，如Aanstoos等[18]設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料飛輪。閆曉磊等[30]進(jìn)行了飛輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了轉(zhuǎn)子材料的優(yōu)化分布問題，得出結(jié)論：最優(yōu)的飛輪轉(zhuǎn)子形狀具有沿半徑方向中間薄、兩端厚的特征。該結(jié)構(gòu)的飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量主要集中在外部，使飛輪的儲(chǔ)量最大化，因而儲(chǔ)能密度顯著增大。

3 制造工藝

3.1 鑄造

根據(jù)選定金屬材料的化學(xué)成分與轉(zhuǎn)子形狀，優(yōu)化鑄造工藝。首先要保證冶金質(zhì)量，化學(xué)成分應(yīng)滿足合金設(shè)計(jì)的要求，避免成分偏析；選用適當(dāng)?shù)蔫T造方法，并確保鑄件表面及內(nèi)部無砂眼、縮松、裂紋等缺陷，需要借助多種無損檢測(cè)手段。轉(zhuǎn)子服役條件較為苛刻，這也決定了對(duì)轉(zhuǎn)子材料高強(qiáng)度與高疲勞性能的要求，任何的鑄造缺陷都可能成為轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生裂紋的源頭，對(duì)轉(zhuǎn)子的安全性能與使用壽命的損害都是巨大的。例如，Hearn等[31]所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能飛輪，選用低合金超高強(qiáng)度4340鋼，是在高真空環(huán)境下冶煉的，熱處理后力學(xué)性能優(yōu)異，屈服強(qiáng)度可達(dá)1380 MPa；另外相比于空氣環(huán)境下的冶煉工藝，其疲勞循環(huán)壽命提高了4倍，因?yàn)檎婵找睙捁に嚱档土藲怏w含量和非金屬夾雜物，而這些均可以成為危害疲勞壽命的裂紋源質(zhì)點(diǎn)。

3.2 鍛造

飛輪輪體的鍛造溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，以減少鍛造火次，提高生產(chǎn)率。始鍛溫度與終鍛溫度控制在合適的范圍內(nèi)，以保證金屬轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生熱加工缺陷，如過熱、過燒或裂紋等；鍛后進(jìn)行退火處理，去除鍛造應(yīng)力，細(xì)化內(nèi)部的晶粒組織。鍛造時(shí)要盡量減少預(yù)留的加工余量，可以節(jié)約原材料的經(jīng)濟(jì)成本與切削加工的時(shí)間成本。Post[9]選用4340鍛鐵生產(chǎn)的飛輪已應(yīng)用于不間斷電源領(lǐng)域。日本原子能研究所的飛輪儲(chǔ)能發(fā)電裝置，碳素鋼實(shí)心圓盤轉(zhuǎn)子就是經(jīng)鍛造而成的，重1000 t，飛輪轉(zhuǎn)速420～600 r/min，可釋放能量為4020 MJ[29]。

3.3 機(jī)加工

車、削、鉆、銑等加工成型的周期較長(zhǎng)，但加工尺寸精度高，能滿足尺寸公差和形位公差都很高的要求，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型飛輪工件。例如，陶曉峰等[32]的儲(chǔ)能飛輪以各向同性的馬氏體時(shí)效鋼為原料，精密鍛造后經(jīng)車削成型。白越等[20]制作的金屬輪轂就是用高強(qiáng)度鈦合金做輪轂坯體，粗車后經(jīng)精車制成輪轂結(jié)構(gòu)，其輻條孔是銑出來的，銑比線切割能節(jié)省工時(shí)。

3.4 熱處理

熱處理工藝是保證飛輪材料性能的關(guān)鍵因素，也是各研究單位的保密技術(shù)，能公開查閱到的文獻(xiàn)資料并不多。熱處理的目的是改善金屬材料的鑄造、鍛造以及機(jī)加工后的金相組織與應(yīng)力狀態(tài)，并通過最終熱處理工藝得到所需高強(qiáng)度的使用性能。熱處理前要控制轉(zhuǎn)子原材料質(zhì)量，如化學(xué)成分與原始組織狀態(tài)；采用合理的熱處理工藝，檢測(cè)熱處理爐有效加熱區(qū)與溫控儀表的準(zhǔn)確度，合理控制升溫速率與降溫速率，避免過燒、過熱和殘余應(yīng)力過大；嚴(yán)格控制熱處理后的質(zhì)量，如晶粒度、硬度、強(qiáng)度等指標(biāo)，同時(shí)確保組織、硬度等的均勻性。熱處理操作過程要避免轉(zhuǎn)子在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生磕碰。

陶曉峰等[32]設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能飛輪，加工成形后進(jìn)行馬氏體時(shí)效處理，最后再利用特殊的熱處理工藝，以提高飛輪的強(qiáng)度。白越等[20]設(shè)計(jì)的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子，鈦合金輪轂坯體粗車后在離子氮化爐中時(shí)效24 h，銑出輻條孔后在離子氮化爐中時(shí)效48 h，精車制成輪轂結(jié)構(gòu)；兩次時(shí)效處理使輪轂加工時(shí)的內(nèi)應(yīng)力充分釋放，從而使輪轂具有高的形位公差，力學(xué)性能也得以優(yōu)化。

3.5 質(zhì)量檢測(cè)

高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)子材料的質(zhì)量要求極為苛刻，每一個(gè)工件必須經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)，并配以質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。一般地，飛輪轉(zhuǎn)子需要在具有資質(zhì)認(rèn)證的單位經(jīng)持證上崗的專業(yè)人員進(jìn)行無損檢測(cè)，確保金屬材料表面及內(nèi)部無缺陷，借助磁粉或滲透檢測(cè)金屬材料表面的裂紋等缺陷，借助超聲波與射線檢測(cè)內(nèi)部組織縮松或裂紋等缺陷。例如，Post[9]的飛輪轉(zhuǎn)子需經(jīng)過 100%的硬度測(cè)試以確認(rèn)熱處理零件的屬性，100%的超聲波探傷檢測(cè)內(nèi)部缺陷，100%的磁粉檢查探測(cè)表面缺陷，100%的平衡測(cè)試；馬立等[21]研制的轉(zhuǎn)子經(jīng)超聲波掃描儀無損檢測(cè)確保飛輪內(nèi)部無分層、疏松缺陷。

4 性能參數(shù)

常用的儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子材料分為兩類，一類是各向同性材料，如高強(qiáng)度金屬材料；另一類是各向異性材料，如高分子復(fù)合材料。儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子常用的金屬材料包括鑄鐵、合金鋼、馬氏體時(shí)效鋼、鋁合金、鈦合金等。表1給出了優(yōu)質(zhì)金屬材料的性能參數(shù)[33-35]，表 2給出了高強(qiáng)度纖維/環(huán)氧樹脂等高強(qiáng)度復(fù)合材料的性能參數(shù)[36-38]。

由表1、表2對(duì)此可知，這些金屬材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。馬氏體時(shí)效鋼雖然儲(chǔ)能密度較高，但價(jià)格昂貴；鈦合金的比強(qiáng)度與極限變形率均高于鋁合金，線膨脹系數(shù)低于鋁合金，接近于碳纖維復(fù)合材料，但是鈦合金價(jià)格也較為昂貴；低合金高強(qiáng)度合金鋼與鋁合金相對(duì)價(jià)格便宜，但儲(chǔ)能密度不太高，也需要專門冶煉與特殊熱處理。因此，開發(fā)價(jià)格低廉的高強(qiáng)度金屬材料具有重要的科技價(jià)值與工業(yè)優(yōu)勢(shì)。金屬材料的性能與其顯微組織有關(guān)，要在認(rèn)清金屬?gòu)?qiáng)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，開發(fā)新的高強(qiáng)鋼或合金。

表1 各向同性飛輪材料的性能參數(shù)[33-35]Table 1 Properties of isotropy materials for flywheel[33-35]

表2 各向異性飛輪材料的性能參數(shù)[36-38]Table 2 Properties of anisotropy materials for flywheel[36-38]

金屬材料的比強(qiáng)度與儲(chǔ)能密度不如高強(qiáng)度纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。纖維/環(huán)氧復(fù)合飛輪結(jié)構(gòu)緊湊、儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)，但安全性稍差、材料成本高，也在一定程度上限制了其工程應(yīng)用。金屬材料飛輪比能量低，而且飛輪一旦破裂，其破壞力大，但是具有制作工藝成熟、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子金屬材料的發(fā)展，關(guān)鍵在于提高金屬材料的強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能，要合理運(yùn)用金屬材料的強(qiáng)化機(jī)理，通過添加合金元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化，通過生成第二相進(jìn)行彌散強(qiáng)化，通過細(xì)化晶粒進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化，通過熱處理形成貝氏體或馬氏體強(qiáng)化性能。

5 結(jié) 語

提高飛輪儲(chǔ)能量的關(guān)鍵在于提高轉(zhuǎn)子材料的比強(qiáng)度，目前來看高強(qiáng)度金屬材料的發(fā)展空間很大。合金成分的開發(fā)、超高純冶煉技術(shù)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化、熱處理工藝的改進(jìn)、材料比強(qiáng)度的提高，都是儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子用金屬材料的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與制造工藝的發(fā)展，在大量的理論分析與研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將有更多的高比強(qiáng)度金屬材料能夠用來制造儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子。

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