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                分享:近海含SO2 環境中高壓隔離開關鋁合金部件的組織 及腐蝕特征

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                瀏覽:- 發布日期:2021-06-04 14:43:15【

                陳劍光1,蘇 賁1,羅 雪2,李小強2,董重里1

                (1.廣東電網有限責任公司,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 環境中使

                用過的高壓隔離開關2A12T4鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進行分析。結果表明:2A12T4鋁合金晶粒沿變形

                方向拉長,并形成了一定數量的亞晶;主要的第二相是 T相,并有大量的位錯纏繞在 T相周圍。2A12T4鋁合金主要的腐蝕產物是 Al(OH)3 和 Al2(SO4)3·14H2O,腐蝕主要受到濕潤條件下Cl- 和SO2 兩種腐蝕性介質的聯合作用,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: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

                亞洲最大的臺山火力發電廠10km。應用環境不僅濕潤而且富含腐蝕介質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2A12T4鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產物,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電廠10km。應用環境不僅濕潤而且富含腐蝕介質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2A12T4鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產物,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。

                2A12T4鋁合金在近海含SO2 環境中腐蝕產物的相組成通過BrukerD8AdvanceX射線衍射儀

                (XRD)進行分析,腐蝕產物層的形貌則采用環境掃描電子顯微鏡進行觀察。

                2 結果與討論

                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,晶粒內部形成了數量更多的亞晶。

                從圖3可以看到,2A12T4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 相構成。T 相為底心正交結構的 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,晶內有大量的位錯纏結在 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;2A12T4鋁合金晶界處析出相不連續,出現無析出帶。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析出,吸收了晶界附近的溶質原子和空位,造成晶界邊緣出現一狹窄的無溶質原子的區域[7]。

                2.2 腐蝕產物分析

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

                [8],這層膜能夠阻擋鋁合金發生進一步的腐蝕。但在濕潤的近海環境中,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)

                管材板材形貌

                棺材板材SEM形貌


                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生吸附,與氧化膜發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。

                板材花樣襯度

                棺材板擦晶粒取向



                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 的環境中,因SO2 和Cl- 的相互促進作用,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蝕,在局部表面逐步形成明顯的圓環狀或塊狀腐蝕產物,腐蝕產物疏松,不規則的塊狀或圓胞狀產物間有明顯的裂紋,隨著腐蝕時間進一步延長,腐蝕產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 環境中腐蝕后的形貌。由圖4可見:2A12T4鋁合金表面發生了嚴重的腐蝕,蝕坑周邊的腐蝕產物較疏松,呈不規則的塊狀;管材的腐蝕產物層較完整地覆蓋在表面,而板材的腐蝕產物層已發生部分

                板材管材低倍

                板材管材高倍形貌


                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

                隨著腐蝕時間進一步延長,腐蝕產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 環境中腐蝕后的形貌。由圖4可見:2A12T4鋁合金表面發生了嚴重的腐蝕,蝕坑周邊的腐蝕產物較疏松,呈不規則的塊狀;管材的腐蝕產物層較完整地覆蓋在表面,而板材的腐蝕產物層已發生部分脫落,露出了大而深的蝕坑。


                板材低高倍形貌組織一

                板材低高倍形貌組織二



                圖4 2A12T4鋁合金在近海含SO2 環境中腐蝕后的形貌

                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]。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2A12T4鋁合金由表及里不斷深入地受到侵蝕。由圖5可見,2A12T4鋁合

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

                圖5 2A12T4鋁合金腐蝕產物的XRD測試結果




                結論

                (1)2A12T4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 環境中,2A12T4鋁合金主要的腐蝕產物是 Al(OH)3 和 Al2(SO4)3·14H2O。腐蝕主要受到濕潤條件下Cl- 和SO2 兩種腐蝕性介質的聯合作用,而拉長變形晶粒以及第二相粒子則進一步加速了腐蝕。

                (文章來源:材料與測試網)

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