近海含SO2环境中高压隔离开关铝合金部件的组织及腐蚀特征

陈剑光,苏 贲,罗 雪,李小强,董重里

(1. 广东电网有限责任公司，广州 510030； 2. 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640)

近海含SO2环境中高压隔离开关铝合金部件的组织及腐蚀特征

陈剑光1,苏 贲1,罗 雪2,李小强2,董重里1

(1. 广东电网有限责任公司，广州 510030； 2. 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640)

运用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对近海含SO2环境中使用过的高压隔离开关2A12-T4铝合金部件的组织以及腐蚀特征进行分析。结果表明：2A12-T4铝合金晶粒沿变形方向拉长，并形成了一定数量的亚晶；主要的第二相是T相，并有大量的位错缠绕在T相周围。2A12-T4铝合金主要的腐蚀产物是Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O，腐蚀主要受到湿润条件下Cl-和SO2两种腐蚀性介质的联合作用，而拉长变形的晶粒以及第二相粒子则加速了腐蚀。

铝合金；组织；腐蚀

铝和铝合金具有比强度优异、导电性良好等优点，是电力行业中主要的输变电设施材料。2A12铝合金强度高，常用来加工变电设备的零部件。2A12铝合金的耐蚀性能够满足一般的使用要求，但在沿海和大气污染严重地区，其腐蚀敏感性增强，会面临严峻的腐蚀问题，给设备的安全运行带来隐患[1-2]。

广东省某220 kV变电站距海1 km且距离亚洲最大的台山火力发电厂10 km。应用环境不仅湿润而且富含腐蚀介质SO2和Cl-，这必然会加重铝合金的腐蚀。本工作分析了该变电站高压隔离开关用2A12-T4铝合金管材和板材的组织特征以及腐蚀产物，对变电站维护以及安全运行具有较为重要的意义。

1 试验

从广东省某220 kV变电站已使用的高压隔离开关中的2A12-T4铝合金管材和板材取样，然后加工成尺寸为5 mm×5 mm×3 mm的试样。再经砂纸逐级打磨、抛光以及keller试剂腐蚀，或离子减薄制样。采用Leica DMI 500M光学显微镜进行金相观察。采用Nova Nanosem 430环境扫描电子显微镜(SEM)和Tecnai G2 F30透射电子显微镜(TEM)观察微观组织，并通过电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒大小和取向进行分析。

2A12-T4铝合金在近海含SO2环境中腐蚀产物的相组成通过Bruker D8 Advance X射线衍射仪(XRD)进行分析，腐蚀产物层的形貌则采用环境扫描电子显微镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

由图1可见，管材和板材的显微组织中均存在细小的析出相，而且析出相分布呈现出明显的方向性。由图2可见，晶粒沿着挤压和轧制方向拉长，并且与管材的晶粒相比，板材的晶粒变形程度更为显著，晶粒长宽比更大；管材的晶粒取向差较大，晶粒内部存在少量的亚晶。然而，板材的晶粒取向差相对较小，晶粒内部形成了数量更多的亚晶。

2.2 腐蚀产物分析

铝在大气环境中极易氧化，在表面形成一层致密的Al2O3膜，Al2O3膜逐渐转变成γ-AlOOH，最后转变成非晶态Al(OH)3[8]，这层膜能够阻挡铝合金发生进一步的腐蚀。但在湿润的近海环境中，铝合金表面易形成薄液膜。当大气中高含量的SO2溶于此薄液膜时，便会形成亚硫酸，见式(1)。亚硫酸电离后薄液膜呈酸性，同时亚硫酸容易氧化生成硫酸，反应过程见式(2)～(4)[9]。

(1)

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(a) 管材,OM形貌

(b) 板材，OM形貌

(c) 管材，SEM形貌

(d) 板材，SEM形貌图1 2A12-T4铝合金的显微组织Fig.1 Microstructure of 2A12-T4 aluminum alloy: (a) pipe, OM morphology; (b) plate, OM morphology; (c) pipe, SEM morphology; (d) plate, SEM morphology

(a) 管材,花样衬度

(b) 板材,花样衬度

(c) 管材,晶粒取向

铝合金表面形成的氧化膜在酸性薄液膜中容易被破坏，生成的腐蚀产物为铝的硫酸盐。同时，薄液膜中的Cl-在铝合金表面的活性位置如氧化膜不完整处发生吸附，与氧化膜发生一系列的电化学反应,见式(5)～(7)[10]。Cl-的存在加快了铝合金表面氧化膜减薄和破裂，导致新鲜表面裸露，从而促进腐蚀。

(d) 板材,晶粒取向图2 2A12-T4铝合金的花样衬度和晶粒取向图Fig. 2 Band contrast and crystal orientation maps of 2A12-T4 aluminum alloy pipe (a, c) and plate (b, d)

(5)

(6)

(7)

在近海含SO2的环境中，因SO2和Cl-的相互促进作用，加速了2A12-T4铝合金的腐蚀。2A12-T4铝合金腐蚀初期的典型特征是点蚀，在局部表面逐步形成明显的圆环状或块状腐蚀产物，腐蚀产物疏松，不规则的块状或圆胞状产物间有明显的裂纹，随着腐蚀时间进一步延长，腐蚀产物从基体呈层片状剥落[1]。

(a) 管材，低倍

(b) 板材，低倍

(c) 管材，高倍

(d) 板材，高倍图3 2A12-T4铝合金的TEM形貌Fig. 3 TEM morphology of 2A12-T4 aluminum alloy: (a) pipe, low magnification; (b) plate, low magnification; (c) pipe, high magnification; (d)plate, high magnification

图4是2A12-T4铝合金管材和板材在近海含SO2环境中腐蚀后的形貌。由图4可见：2A12-T4铝合金表面发生了严重的腐蚀，蚀坑周边的腐蚀产物较疏松，呈不规则的块状；管材的腐蚀产物层较完整地覆盖在表面，而板材的腐蚀产物层已发生部分脱落，露出了大而深的蚀坑。

(a) 管材，低倍

(b) 板材，高倍

(c) 管材，低倍

(d) 板材，高倍图4 2A12-T4铝合金在近海含SO2环境中腐蚀后的形貌Fig. 4 Corrosion morphology of 2A12-T4 aluminum alloy after corrosion in offshore environment with SO2: (a) pipe, low magnification; (b) plate, low magnification; (c) pipe, high magnification; (d)plate, high magnification

剥落腐蚀行为的发生需要两个条件:拉长的晶粒和晶界析出相或者无沉淀析出带形成的腐蚀活性通道。其中，腐蚀活性通道主要与晶界析出相或晶界无沉淀析出带等相关[11]。2A12-T4铝合金基体中分布着T相和少量S′相、θ′相等第二相粒子。由于SO2和Cl-的共同作用，氧化膜破裂，新鲜的铝基体和第二相粒子暴露于介质中。在局部电位差的作用下，第二相粒子和铝基体形成许多腐蚀微电池[12]。第二相中活泼的元素溶解，形成阳极溶解通道，便于O2的扩散，并使2A12-T4铝合金由表及里不断深入地受到侵蚀。由图5可见，2A12-T4铝合金的腐蚀产物主要由Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O构成。由于变电站距离亚洲最大的台山火力发电厂只有10 km，大气中SO2含量高，所以腐蚀产物中Al2(SO4)3·14H2O的含量与Al(OH)3的含量相差不大。

图5 2A12-T4铝合金腐蚀产物的XRD测试结果Fig. 5 XRD results of corrosion products of 2A12-T4 aluminum alloy

3 结论

(1) 2A12-T4铝合金管材和板材的晶粒沿变形方向拉长，并形成了一定数量的亚晶；主要的第二相是T相，并有大量的位错线缠绕在T相周围。

(2) 在近海含SO2环境中，2A12-T4铝合金主要的腐蚀产物是Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O。腐蚀主要受到湿润条件下Cl-和SO2两种腐蚀性介质的联合作用，而拉长变形晶粒以及第二相粒子则进一步加速了腐蚀。

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Microstructure and Corrosion Characteristics of Aluminum Alloy High Voltage Isolation Switch Parts Applied in Offshore Environment with SO2

CHEN Jian-guang1, SU Bi1, LUO Xue2, LI Xiao-qiang2, DONG Zhong-li1

(1. Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510030, China; 2. National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The microstructure and corrosion characteristics of 2A12-T4 aluminum alloy high voltage isolation switch parts used in offshore environment with SO2were investigated by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD). The results show that the grains of 2A12-T4 aluminum alloy were elongated along the deformation direction, and a certain number of sub-crystals formed. The main second phase was T phase surrounded by a mass of dislocations. The main corrosion products of 2A12-T4 aluminum alloy were Al(OH)3and Al2(SO4)3·14H2O. The corrosive behavior was mainly controlled by Cl-and SO2in moist environment. Additionally, the deformed elongated grains and the second phase particles accelerated the corrosion.

aluminum alloy; microstructure; corrosion

10.11973/fsyfh-201704002

2016-06-30

广东电网有限责任公司科技项目(GDKJ00000081)

陈剑光(1970-)，高级工程师，从事输变电设备管理相关工作，13825122311，fschjg@163.com

TG172

A

1005-748X(2017)04-0252-04