分享：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）

摘 要：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。

关键词：铝合金；组织；腐蚀

中图分类号：ＴＧ１７２ 文献标志码：Ａ 文章编号：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

亚洲最大的台山火力发电厂１０ｋｍ。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洲最大的台山火力发电厂１０ｋｍ。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

观察。采用 ＮｏｖａＮａｎｏｓｅｍ４３０环境扫描电子显微镜 （ＳＥＭ）和 ＴｅｃｎａｉＧ２ 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ＢｒｕｋｅｒＤ８ＡｄｖａｎｃｅＸ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。

从图３可以看到，２Ａ１２Ｔ４铝合金主要的强化相Ｓ′相、θ′相并没有充分析出［３］，此时主要由基体α（Ａｌ和杆状形貌的 Ｔ 相构成。Ｔ 相为底心正交结构的 Ａｌ２０Ｃｕ２Ｍｎ３

［４］，与 Ａｌ基 体 的 取 向 关 系 为：

［０１０］Ｔ／／＜００１＞Ａｌ，（７０３）Ｔ／／（０２０）Ａｌ

［５］。由图３还

可见，晶内有大量的位错缠结在 Ｔ 相周围，且以类似弹簧缠绕的蜷线位错为主［６］，位错密度较高，此外存在亚晶界；２Ａ１２Ｔ４铝合金晶界处析出相不连续，出现无析出带。晶界无析出带的形成是由于原子偏聚引起的，强化相在晶界和晶内析出，吸收了晶界附近的溶质原子和空位，造成晶界边缘出现一狭窄的无溶质原子的区域［７］。

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］。

ＳＯ２ ＋Ｈ２Ｏ→ Ｈ２ＳＯ３ （１）

Ｈ２ＳＯ３ → Ｈ＋＋ＨＳＯ３

－ （２）

ＨＳＯ３

－＋［Ｏ］→ ＨＳＯ４

－ （３）

ＨＳＯ４

－ → Ｈ＋ ＳＯ４

２－ （４）

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。

图２ ２Ａ１２Ｔ４铝合金的花样衬度和晶粒取向图

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］。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

图３ ２Ａ１２Ｔ４铝合金的ＴＥＭ 形貌

Ｆｉｇ．３ ＴＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ：

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

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

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］。

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。

图４ ２Ａ１２Ｔ４铝合金在近海含ＳＯ２ 环境中腐蚀后的形貌

Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ２Ａ１２Ｔ４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ

ａｆｔｅｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｔｈＳＯ２：

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

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

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１０ｋｍ，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。

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。

（文章来源：材料与测试网）