電氣設備硬質鋁合金部件腐蝕研究

周宇通，陳小林，張小菊，鄒君文，孫慶峰，周 楨

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗所有限公司，杭州 310014）

0 引言

2A12硬質鋁合金（舊牌號為LY12）屬于Al-Mg-Cu（鋁-鎂-銅）系合金，經T4熱處理（固溶處理+自然時效）后具有強度高、延展性好、易成型加工、電性能優良等特點，因而在航空、航天以及電力等領域大量使用。由于2A12鋁合金的力學性能十分優異，常被制作成設備線夾、母線金具、動作機構等需要承力的部件用于電力傳輸設備[1-2]。

近期，巡檢人員發現某變電站線路接地開關拐臂發生嚴重粉末化。不久又在另一變電站發現電流互感器一次穿心導電桿發生層狀剝落。經查閱相關資料，兩者的材質均為2A12鋁合金。接連兩次故障失效部件的材質相同，且失效模式高度相似，因此十分有必要綜合上述兩次故障，對2A12鋁合金的失效原因進行系統性分析研究。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

對失效的接地開關拐臂以及穿心導電桿進行了宏觀檢查，典型的宏觀形貌如圖1—2所示。拐臂的尺寸大約為105 mm×20 mm×30 mm，整體金屬光澤偏弱。拐臂外表面上密集分布著數量眾多，大小不等的深灰色斑點，最大面積可達5 mm2。除此之外，拐臂多處位置（如圖1中方框所示位置）還存在不同程度的粉末化及層狀剝離現象。拐臂部分位置由于粉末化而缺失，使得這些位置的寬度或厚度有所減薄。在剝落最嚴重處，其截面長度較原始設計尺寸已經減少8 mm以上。

圖1 接地開關拐臂的宏觀形貌

圖2 穿心導電桿的宏觀形貌

穿心導電桿桿體的外徑約為60 mm。導電桿的一端為引流板，其外觀形貌并無明顯異常，而在另一端則存在類似“起皮”現象的層狀剝落。剝落的層數較多，影響面積較大，并同樣已造成部分導電桿桿體缺失。剝落情況最嚴重處，桿體直徑已減薄約5 mm。

1.2 化學成分分析

采用Thermo Fisher Scientific ARL 4460 OES型火花放電原子發射光譜儀對接地閘刀拐臂和穿心導電桿兩個樣品的材質進行了復核，結果列于表1中。根據國標GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學成分》中對2A12鋁合金的成分要求，拐臂中的Cu元素含量略低于國標中3.8%~4.9%的要求范圍，而穿心導電桿的Mg元素低于國標中1.2%~1.8%的要求范圍。因此，可以判定接地閘刀拐臂和穿心導電桿的2A12鋁合金均不符合國家標準，材質不合格。

1.3 金相分析

在接地開關拐臂和穿心導電桿兩個樣品未發生失效的部位取樣鑲嵌，打磨拋光后于Zeiss Axiovert 200型光學顯微鏡下對其金相組織進行分析，典型的金相組織如圖3—4所示。從圖中可以看出，拐臂和導電桿的晶粒均呈現為長條形，且晶粒尺寸較小。這表明這兩個部件均由擠壓和拉拔等軋制工藝制備而成。整體來看，兩者具備典型的變形鋁合金的金相組織，與2A12鋁合金的標準金相組織相符合，未見明顯異常。

圖3 接地閘刀拐臂的金相組織

圖4 穿心導電桿的金相組織

1.4 SEM及EDS分析

將接地閘刀拐臂和穿心導電桿樣品的失效部位經超聲清洗后于ZEISSEVO18型SEM（掃描電子顯微鏡）下觀察其微觀表面形貌的圖片，如圖5—6所示。從這些圖中可以看出，兩個樣品層狀剝離區域的表面均是由數量眾多的塊狀、圓球狀或龜裂泥土狀產物疏松堆疊而成，兩者的相似程度很高。而在其他區域，還可以觀察到大量形狀不規則的點狀或胞狀物質鼓起或者微裂紋與小孔洞交錯分布等表面微觀形貌。

表1 接地閘刀拐臂及穿心導電桿的化學成分%

圖5 拐臂層狀剝離區域的SEM微觀顯微形貌

圖6 穿心導電桿層狀剝離區域的SEM微觀顯微形貌

通過EDS（能譜分析技術）對部分區域進行了成分分析，分析位置及分析結果如圖7—8及表2—3所示。結果顯示，兩個樣品的表面均含有較高含量的O（氧）元素，分別高達75.37%和76.35%，而基體Al元素的含量都在22%以下，這表明樣品表面的主要物質已經由金屬鋁轉變為了鋁的氧化物。除了Al和O兩種主要元素外，還在拐臂表面產物中發現了含量為2.87%的腐蝕性元素S（硫）元素，證明表面產物的形成可能與腐蝕過程有關。

圖7 拐臂EDS分析區域及分析結果

2 分析與討論

圖8 導電桿EDS分析區域及分析結果

表2 拐臂表面的EDS分析結果%

表3 導電桿表面的EDS分析結果%

根據上述試驗結果，接地開關拐臂和穿心導電桿在失效模式、表面微觀形貌以及表面產物化學成分等方面均高度一致，因此可以推斷兩者的失效機理應該是完全相同的。能譜分析結果顯示拐臂及導電桿層狀剝離區域表面的物質均為O元素含量極高的腐蝕產物，可以判定腐蝕是導致兩個樣品失效的主要原因。2A12鋁合金為了獲得優異的力學性能而加入了較高含量的Cu元素，經T4熱處理后在金相組織中主要形成θ相（Al2Cu）、 S 相（Al2CuMg）和 β 相（Al7Cu2Fe）等金屬間化學物作為第二相起到強化作用。但是，這些第二相和基體之間的電極電位差距很大。含Mg元素的S相電極電位較低，與基體在電解介質中形成原電池而發生陽極溶解，從而形成腐蝕[3]。從微觀形貌來看，腐蝕最初只是在表面的個別區域萌生，該階段以點蝕點形成顆粒狀、胞狀產物為主，其微觀形貌如圖6所示。正是這些腐蝕產物的存在才使得拐臂表面部分區域失去了金屬光澤，在肉眼觀察下呈現深褐色。隨著腐蝕時間的延長，腐蝕以點蝕為中心向周圍以及內部擴展，腐蝕產物的厚度逐漸增加。當眾多點蝕點形成的腐蝕產物相互會聚，形成大面積連續分布時，腐蝕從點蝕階段進入全面腐蝕階段。2A12鋁合金被腐蝕后， 會陸續形成 Al2O3、 Al（OH）3、 AlCl3等腐蝕產物[1，4]。由于腐蝕產物的體積和變形能力等物理性質與基體金屬不同，會在晶界發生“楔入效應”而產生應力。在應力作用下，腐蝕產物或發生龜裂或以粉末的形式脫落。2A12為典型的變形鋁合金，擠壓成型加工后晶粒一般都為長條形，金相組織圖片也印證了這一點。長條形的鋁合金晶粒被腐蝕后擠出膨脹，與下層晶粒剝離，從而形成層狀剝離的現象。

值得注意的是，發生2A12鋁合金部件失效的兩個變電站均為位于沿海地區且為室外站。因而拐臂和導電桿兩個部件的工作環境相對惡劣，會長期遭受日曬雨淋，干濕交替。沿海地區的空氣中普遍具有Cl（氯）離子含量高的特點，腐蝕環境特征明顯。相關科學研究表明，Cl離子能夠破壞鋁合金表面的氧化層而形成液膜，從而為腐蝕過程創造一個合適的前提條件[5-6]。根據能譜分析的結果，在拐臂表面的腐蝕產物中檢測出了較高含量的S元素。這說明拐臂所面臨的工作環境，同時具備Cl離子含量較高以及酸雨嚴重的雙重特點，即海洋性氣候-工業廢氣雙重氛圍。工業廢氣SO2氣體在大氣中反應形成H2SO4或H2SO3后可隨雨水帶到拐臂的表面，那么酸就可以與Cl離子相互協同作用，大大加快腐蝕速度[7-8]。除了大氣環境，浙江境內的土壤整體呈酸性，土壤中的Cl離子含量也較高，這對2A12鋁合金的防腐工作都是較為不利的[9-10]。

綜上所述，可以判斷接地開關拐臂和穿心導電桿是在海洋-工業廢氣環境中，干濕交替條件下被全面腐蝕而導致開裂、粉末化或層狀剝落的。由于室外工作的2A12鋁合金部件事故頻發，建議在電氣設備制造過程中將該類部件的材料全部更換為5083鋁合金，停止2A12鋁合金的使用。5083鋁合金為Al-Mg系變形鋁合金。在該種材料中，對抗腐蝕能力有害的 Cu含量較低，而Mg元素通過固溶作用可同時明顯提升材料的抗腐蝕能力以及力學強度。再結合部件尺寸參數的優化調整，5083鋁合金可以較好地替代2A12鋁合金。

3 結語

2A12鋁合金含有較高含量的Cu元素，使得其抗腐蝕性能變差。以2A12鋁合金為原材料制造的接地開關拐臂及穿心導電桿在海洋-工業廢氣環境中，干濕交替的條件下工作極易被腐蝕。當腐蝕程度加深后就會導致這些部件發生開裂、粉末化或層狀剝落等現象，影響電氣設備安全可靠運行。