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射線衍射儀（ＸＲＤ）對(duì)近海含ＳＯ２ 環(huán)境中使
用過的高壓隔離開關(guān)２Ａ１２Ｔ４鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：２Ａ１２Ｔ４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相周圍。２Ａ１２Ｔ４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
中圖分類號(hào)：ＴＧ１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１００５７４８Ｘ（２０１７）０４０２５２０４
Microstrure and Corrosion Characteristics of Aluminum Alloy High Voltage lsolation Switch pars Applied in Offshore Environment with SO2
ＣＨＥＮＪｉａｎｇｕａｎｇ１，ＳＵＢｉ１，ＬＵＯＸｕｅ２，ＬＩＸｉａｏｑｉａｎｇ２，ＤＯＮＧＺｈｏｎｇｌｉ１
（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆ
ＮｅａｒｎｅｔｓｈａｐｅＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＭｅｔａｌｌｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）
Abstract：Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｃｈ
ｐａｒｔｓｕｓｅｄｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｔｈＳＯ２ ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＴＥＭ）ａｎｄＸｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ
ｔｈｅｇｒａｉｎｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅｅｌｏｎｇａｔｅｄａｌｏｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄａｃｅｒｔａｉｎｎｕｍｂｅｒｏｆｓｕｂ
ｃｒｙｓｔａｌｓｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｍａｉｎｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅｗａｓＴｐｈａｓｅｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄｂｙａｍａｓｓｏｆｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎ
ｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅＡｌ（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關(guān)用２Ａ１２Ｔ４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關(guān)用２Ａ１２Ｔ４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）觀察微觀組織，并通過電子背散射衍射
（ＥＢＳＤ）技術(shù)對(duì)晶粒大小和取向進(jìn)行分析。
２Ａ１２Ｔ４鋁合金在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕產(chǎn)
物的相組成通過ＢｒｕｋｅｒＤ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線衍射儀
（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)行觀察。
２ 結(jié)果與討論
２．１ 顯微組織分析
由圖１可見，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，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，２Ａ１２Ｔ４鋁合金主要的強(qiáng)化相Ｓ′相、θ′相并沒有充分析出［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，晶內(nèi)有大量的位錯(cuò)纏結(jié)在 Ｔ 相周圍，且以類似彈簧纏繞的蜷線位錯(cuò)為主［６］，位錯(cuò)密度較高，此外存在亞晶界；２Ａ１２Ｔ４鋁合金晶界處析出相不連續(xù)，出現(xiàn)無析出帶。晶界無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γＡｌＯＯＨ，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)過程見式（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 ２Ａ１２Ｔ４鋁合金的花樣襯度和晶粒取向圖
Ｆｉｇ．２ Ｂａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔａｎｄｃｒｙｓｔａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍａｐｓｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｐｉｐｅ（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２Ａ１２Ｔ４鋁合金的腐蝕。２Ａ１２Ｔ４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２Ａ１２Ｔ４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：２Ａ１２Ｔ４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 ２Ａ１２Ｔ４鋁合金的ＴＥＭ 形貌
Ｆｉｇ．３ ＴＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ：
（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２Ａ１２Ｔ４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：２Ａ１２Ｔ４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 ２Ａ１２Ｔ４鋁合金在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中腐蝕后的形貌
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ
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沉淀析出帶等相關(guān)［１１］。２Ａ１２Ｔ４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２Ａ１２Ｔ４鋁合金由表及里不斷深入地受到侵蝕。由圖５可見，２Ａ１２Ｔ４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）２Ａ１２Ｔ４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)線纏繞在Ｔ相周圍。
（２）在近海含ＳＯ２ 環(huán)境中，２Ａ１２Ｔ４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。