陳劍光１，蘇 賁１，羅 雪２，李小強２，董重里１
（１．廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣州５１００３０；２．華南理工大學 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州５１０６４０）
摘 要：運用光學顯微鏡（ＯＭ）、掃描電鏡（ＳＥＭ）、透射電鏡（ＴＥＭ）和Ｘ射線衍射儀（ＸＲＤ）對近海含ＳＯ２ 環(huán)境中使
用過的高壓隔離開關２Ａ１２Ｔ４鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進行分析。結(jié)果表明：２Ａ１２Ｔ４鋁合金晶粒沿變形
方向拉長，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，腐蝕主要受到濕潤條件下Ｃｌ－ 和ＳＯ２ 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用，而拉長變形的晶粒以及第二相粒子則加速了腐蝕。
關鍵詞：鋁合金；組織；腐蝕
中圖分類號：ＴＧ１７２ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：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
亞洲最大的臺山火力發(fā)電廠１０ｋｍ。應用環(huán)境不僅濕潤而且富含腐蝕介質(zhì)ＳＯ２ 和 Ｃｌ－ ，這必然會加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開關用２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物，對變電站維護以及安全運行具有較為重要的意義洲最大的臺山火力發(fā)電廠１０ｋｍ。應用環(huán)境不僅濕潤而且富含腐蝕介質(zhì)ＳＯ２ 和 Ｃｌ－ ，這必然會加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開關用２Ａ１２Ｔ４鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物，對變電站維護以及安全運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）技術對晶粒大小和取向進行分析。
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，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鋁合金主要的強化相Ｓ′相、θ′相并沒有充分析出［３］，此時主要由基體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 系 為：
［０１０］Ｔ／／＜００１＞Ａｌ，（７０３）Ｔ／／（０２０）Ａｌ
［５］。由圖３還
可見，晶內(nèi)有大量的位錯纏結(jié)在 Ｔ 相周圍，且以類似彈簧纏繞的蜷線位錯為主［６］，位錯密度較高，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)生進一步的腐蝕。但在濕潤的近海環(huán)境中，鋁合金表面易形成薄液膜。當大氣中高含量的 ＳＯ２溶于此薄液膜時，便會形成亞硫酸，見式（１）。亞硫酸電離后薄液膜呈酸性，同時亞硫酸容易氧化生成硫酸，反應過程見式（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，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)生一系列的電化學反應，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，導致新鮮表面裸露，從而促進腐蝕。
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，隨著腐蝕時間進一步延長，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
隨著腐蝕時間進一步延長，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)生需要兩個條件：拉長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［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，形成陽極溶解通道，便于 Ｏ２ 的擴散，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，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。腐蝕主要受到濕潤條件下Ｃｌ－ 和ＳＯ２ 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用，而拉長變形晶粒以及第二相粒子則進一步加速了腐蝕。