分享：近海含SO２ 環(huán)境中高壓隔離開(kāi)關(guān)鋁合金部件的組織 及腐蝕特征

陳劍光１，蘇 賁１，羅 雪２，李小強(qiáng)２，董重里１

（１．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州５１００３０；２．華南理工大學(xué) 國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州５１０６４０）

摘 要：運(yùn)用光學(xué)顯微鏡（ＯＭ）、掃描電鏡（ＳＥＭ）、透射電鏡（ＴＥＭ）和Ｘ射線(xiàn)衍射儀（ＸＲＤ）對(duì)近海含ＳＯ２ 環(huán)境中使

用過(guò)的高壓隔離開(kāi)關(guān)２Ａ１２Ｔ４鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：２Ａ１２Ｔ４鋁合金晶粒沿變形

方向拉長(zhǎng)，并形成了一定數(shù)量的亞晶；主要的第二相是 Ｔ相，并有大量的位錯(cuò)纏繞在 Ｔ相周?chē)＃玻粒保勃玻裕翠X合金主要的腐蝕產(chǎn)物是 Ａｌ（ＯＨ）３ 和 Ａｌ２（ＳＯ４）３·１４Ｈ２Ｏ，腐蝕主要受到濕潤(rùn)條件下Ｃｌ－ 和ＳＯ２ 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用，而拉長(zhǎng)變形的晶粒以及第二相粒子則加速了腐蝕。

關(guān)鍵詞：鋁合金；組織；腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＧ１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１００５７４８Ｘ（２０１７）０４０２５２０４

Microstrure and Corrosion Characteristics of Aluminum Alloy High Voltage lsolation Switch pars Applied in Offshore Environment with SO2

ＣＨＥＮＪｉａｎｇｕａｎｇ１，ＳＵＢｉ１，ＬＵＯＸｕｅ２，ＬＩＸｉａｏｑｉａｎｇ２，ＤＯＮＧＺｈｏｎｇｌｉ１

（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆ

ＮｅａｒｎｅｔｓｈａｐｅＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＭｅｔａｌｌｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）

Abstract：Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｃｈ

ｐａｒｔｓｕｓｅｄｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｔｈＳＯ２ ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎ

ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＴＥＭ）ａｎｄＸｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ

ｔｈｅｇｒａｉｎｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅｅｌｏｎｇａｔｅｄａｌｏｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄａｃｅｒｔａｉｎｎｕｍｂｅｒｏｆｓｕｂ

ｃｒｙｓｔａｌｓｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｍａｉｎｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅｗａｓＴｐｈａｓｅｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄｂｙａｍａｓｓｏｆｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎ

ｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅＡｌ（ＯＨ）３ａｎｄＡｌ２（ＳＯ４）３·１４Ｈ２Ｏ．Ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｗａｓｍａｉｎｌｙ

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＣｌ－ ａｎｄＳＯ２ｉｎｍｏｉｓｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｆｏｒｍｅｄｅｌｏｎｇａｔｅｄｇｒａｉｎｓａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅ

ｐａｒｔｉｃｌｅｓａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．

Key words ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ

亞洲最大的臺(tái)山火力發(fā)電廠(chǎng)１０ｋｍ。應(yīng)用環(huán)境不僅濕潤(rùn)而且富含腐蝕介質(zhì)ＳＯ２ 和 Ｃｌ－ ，這必然會(huì)加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開(kāi)關(guān)用２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物，對(duì)變電站維護(hù)以及安全運(yùn)行具有較為重要的意義洲最大的臺(tái)山火力發(fā)電廠(chǎng)１０ｋｍ。應(yīng)用環(huán)境不僅濕潤(rùn)而且富含腐蝕介質(zhì)ＳＯ２ 和 Ｃｌ－ ，這必然會(huì)加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開(kāi)關(guān)用２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物，對(duì)變電站維護(hù)以及安全運(yùn)行具有較為重要的意義

觀(guān)察。采用 ＮｏｖａＮａｎｏｓｅｍ４３０環(huán)境掃描電子顯微鏡 （ＳＥＭ）和 ＴｅｃｎａｉＧ２ Ｆ３０ 透 射 電 子 顯 微 鏡（ＴＥＭ）觀(guān)察微觀(guān)組織，并通過(guò)電子背散射衍射

（ＥＢＳＤ）技術(shù)對(duì)晶粒大小和取向進(jìn)行分析。

２Ａ１２Ｔ４鋁合金在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物的相組成通過(guò)ＢｒｕｋｅｒＤ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線(xiàn)衍射儀

（ＸＲＤ）進(jìn)行分析，腐蝕產(chǎn)物層的形貌則采用環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察。

２ 結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織分析

由圖１可見(jiàn)，管材和板材的顯微組織中均存在細(xì)小的析出相，而且析出相分布呈現(xiàn)出明顯的方向性。由圖２可見(jiàn)，晶粒沿著擠壓和軋制方向拉長(zhǎng)，并且與管材的晶粒相比，板材的晶粒變形程度更為顯著，晶粒長(zhǎng)寬比更大；管材的晶粒取向差較大，晶粒內(nèi)部存在少量的亞晶。然而，板材的晶粒取向差相對(duì)較小，晶粒內(nèi)部形成了數(shù)量更多的亞晶。

從圖３可以看到，２Ａ１２Ｔ４鋁合金主要的強(qiáng)化相Ｓ′相、θ′相并沒(méi)有充分析出［３］，此時(shí)主要由基體α（Ａｌ和桿狀形貌的 Ｔ 相構(gòu)成。Ｔ 相為底心正交結(jié)構(gòu)的 Ａｌ２０Ｃｕ２Ｍｎ３

［４］，與 Ａｌ基 體 的 取 向 關(guān) 系 為：

［０１０］Ｔ／／＜００１＞Ａｌ，（７０３）Ｔ／／（０２０）Ａｌ

［５］。由圖３還

可見(jiàn)，晶內(nèi)有大量的位錯(cuò)纏結(jié)在 Ｔ 相周?chē)乙灶?lèi)似彈簧纏繞的蜷線(xiàn)位錯(cuò)為主［６］，位錯(cuò)密度較高，此外存在亞晶界；２Ａ１２Ｔ４鋁合金晶界處析出相不連續(xù)，出現(xiàn)無(wú)析出帶。晶界無(wú)析出帶的形成是由于原子偏聚引起的，強(qiáng)化相在晶界和晶內(nèi)析出，吸收了晶界附近的溶質(zhì)原子和空位，造成晶界邊緣出現(xiàn)一狹窄的無(wú)溶質(zhì)原子的區(qū)域［７］。

２．２ 腐蝕產(chǎn)物分析

鋁在大氣環(huán)境中極易氧化，在表面形成一層致密的 Ａｌ２Ｏ３ 膜，Ａｌ２Ｏ３ 膜逐漸轉(zhuǎn)變成γＡｌＯＯＨ，最后轉(zhuǎn)變成非晶態(tài) Ａｌ（ＯＨ）３

［８］，這層膜能夠阻擋鋁合金發(fā)生進(jìn)一步的腐蝕。但在濕潤(rùn)的近海環(huán)境中，鋁合金表面易形成薄液膜。當(dāng)大氣中高含量的 ＳＯ２溶于此薄液膜時(shí)，便會(huì)形成亞硫酸，見(jiàn)式（１）。亞硫酸電離后薄液膜呈酸性，同時(shí)亞硫酸容易氧化生成硫酸，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式（２）～（４）［９］。

ＳＯ２ ＋Ｈ２Ｏ→ Ｈ２ＳＯ３ （１）

Ｈ２ＳＯ３ → Ｈ＋＋ＨＳＯ３

－ （２）

ＨＳＯ３

－＋［Ｏ］→ ＨＳＯ４

－ （３）

ＨＳＯ４

－ → Ｈ＋ ＳＯ４

２－ （４）

鋁合金表面形成的氧化膜在酸性薄液膜中容易被破壞，生成的腐蝕產(chǎn)物為鋁的硫酸鹽。同時(shí)，薄液膜中的Ｃｌ－ 在鋁合金表面的活性位置如氧化膜不完整處發(fā)生吸附，與氧化膜發(fā)生一系列的電化學(xué)反應(yīng)，見(jiàn)式（５）～（７）［１０］。Ｃｌ－ 的存在加快了鋁合金表面氧化膜減薄和破裂，導(dǎo)致新鮮表面裸露，從而促進(jìn)腐蝕。

圖２ ２Ａ１２Ｔ４鋁合金的花樣襯度和晶粒取向圖

Ｆｉｇ．２ Ｂａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔａｎｄｃｒｙｓｔａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍａｐｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｐｉｐｅ（ａ，ｃ）ａｎｄｐｌａｔｅ（ｂ，ｄ）

Ａｌ（ＯＨ）３ ＋Ｃｌ－ → Ａｌ（ＯＨ）２Ｃｌ＋ＯＨ－ （５）

Ａｌ（ＯＨ）２Ｃｌ＋Ｃｌ－ → Ａｌ（ＯＨ）Ｃｌ２ ＋ＯＨ－ （６）

Ａｌ（ＯＨ）Ｃｌ２ ＋Ｃｌ－ → ＡｌＣｌ３ ＋ＯＨ－ （７）

在近海含ＳＯ２ 的環(huán)境中，因ＳＯ２ 和Ｃｌ－ 的相互促進(jìn)作用，加速了２Ａ１２Ｔ４鋁合金的腐蝕。２Ａ１２Ｔ４鋁合金腐蝕初期的典型特征是點(diǎn)蝕，在局部表面逐步形成明顯的圓環(huán)狀或塊狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物疏松，不規(guī)則的塊狀或圓胞狀產(chǎn)物間有明顯的裂紋，隨著腐蝕時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物從基體呈層片狀剝落［１］。圖４是２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕后的形貌。由圖４可見(jiàn)：２Ａ１２Ｔ４鋁合金表面發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，蝕坑周邊的腐蝕產(chǎn)物較疏松，呈不規(guī)則的塊狀；管材的腐蝕產(chǎn)物層較完整地覆蓋在表面，而板材的腐蝕產(chǎn)物層已發(fā)生部分

圖３ ２Ａ１２Ｔ４鋁合金的ＴＥＭ 形貌

Ｆｉｇ．３ ＴＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ：

（ａ）ｐｉｐｅ，ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｂ）ｐｌａｔｅ，ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；

（ｃ）ｐｉｐｅ，ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｄ）ｐｌａｔｅ，ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ

隨著腐蝕時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物從基體呈層片狀剝落［１］。

圖４是２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕后的形貌。由圖４可見(jiàn)：２Ａ１２Ｔ４鋁合金表面發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，蝕坑周邊的腐蝕產(chǎn)物較疏松，呈不規(guī)則的塊狀；管材的腐蝕產(chǎn)物層較完整地覆蓋在表面，而板材的腐蝕產(chǎn)物層已發(fā)生部分脫落，露出了大而深的蝕坑。

圖４ ２Ａ１２Ｔ４鋁合金在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕后的形貌

Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ

ａｆｔｅｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｔｈＳＯ２：

（ａ）ｐｉｐｅ，ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｂ）ｐｌａｔｅ，ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；

（ｃ）ｐｉｐｅ，ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｄ）ｐｌａｔｅ，ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ

剝落腐蝕行為的發(fā)生需要兩個(gè)條件：拉長(zhǎng)的晶粒和晶界析出相或者無(wú)沉淀析出帶形成的腐蝕活性通道。其中，腐蝕活性通道主要與晶界析出相或晶界無(wú)沉淀析出帶等相關(guān)［１１］。２Ａ１２Ｔ４鋁合金基體中分布著 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，新鮮的鋁基體和第二相粒子暴露于介質(zhì)中。在局部電位差的作用下，第 二 相 粒 子 和 鋁 基 體 形 成 許 多 腐 蝕 微 電池［１２］。第二相中活潑的元素溶解，形成陽(yáng)極溶解通道，便于 Ｏ２ 的擴(kuò)散，并使２Ａ１２Ｔ４鋁合金由表及里不斷深入地受到侵蝕。由圖５可見(jiàn)，２Ａ１２Ｔ４鋁合

金的腐蝕產(chǎn)物主要由 Ａｌ（ＯＨ）３ 和 Ａｌ２ （ＳＯ４）３ ·１４Ｈ２Ｏ構(gòu)成。由于變電站距離亞洲最大的臺(tái)山火力發(fā)電廠(chǎng)只有１０ｋｍ，大氣中ＳＯ２ 含量高，所以腐蝕產(chǎn)物中 Ａｌ２（ＳＯ４）３·１４Ｈ２Ｏ的含量與 Ａｌ（ＯＨ）３ 的含量相差不大。

結(jié)論

（１）２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材的晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，并形成了一定數(shù)量的亞晶；主要的第二相是Ｔ相，并有大量的位錯(cuò)線(xiàn)纏繞在Ｔ相周?chē)?/span>

（２）在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中，２Ａ１２Ｔ４鋁合金主要的腐蝕產(chǎn)物是 Ａｌ（ＯＨ）３ 和 Ａｌ２（ＳＯ４）３·１４Ｈ２Ｏ。腐蝕主要受到濕潤(rùn)條件下Ｃｌ－ 和ＳＯ２ 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用，而拉長(zhǎng)變形晶粒以及第二相粒子則進(jìn)一步加速了腐蝕。

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)）