电气设备硬质铝合金部件腐蚀研究

周宇通，陈小林，张小菊，邹君文，孙庆峰，周 桢

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江省电力锅炉压力容器检验所有限公司，杭州 310014）

0 引言

2A12硬质铝合金（旧牌号为LY12）属于Al-Mg-Cu（铝-镁-铜）系合金，经T4热处理（固溶处理+自然时效）后具有强度高、延展性好、易成型加工、电性能优良等特点，因而在航空、航天以及电力等领域大量使用。由于2A12铝合金的力学性能十分优异，常被制作成设备线夹、母线金具、动作机构等需要承力的部件用于电力传输设备[1-2]。

近期，巡检人员发现某变电站线路接地开关拐臂发生严重粉末化。不久又在另一变电站发现电流互感器一次穿心导电杆发生层状剥落。经查阅相关资料，两者的材质均为2A12铝合金。接连两次故障失效部件的材质相同，且失效模式高度相似，因此十分有必要综合上述两次故障，对2A12铝合金的失效原因进行系统性分析研究。

1 理化检验

1.1 宏观形貌分析

对失效的接地开关拐臂以及穿心导电杆进行了宏观检查，典型的宏观形貌如图1—2所示。拐臂的尺寸大约为105 mm×20 mm×30 mm，整体金属光泽偏弱。拐臂外表面上密集分布着数量众多，大小不等的深灰色斑点，最大面积可达5 mm2。除此之外，拐臂多处位置（如图1中方框所示位置）还存在不同程度的粉末化及层状剥离现象。拐臂部分位置由于粉末化而缺失，使得这些位置的宽度或厚度有所减薄。在剥落最严重处，其截面长度较原始设计尺寸已经减少8 mm以上。

图1 接地开关拐臂的宏观形貌

图2 穿心导电杆的宏观形貌

穿心导电杆杆体的外径约为60 mm。导电杆的一端为引流板，其外观形貌并无明显异常，而在另一端则存在类似“起皮”现象的层状剥落。剥落的层数较多，影响面积较大，并同样已造成部分导电杆杆体缺失。剥落情况最严重处，杆体直径已减薄约5 mm。

1.2 化学成分分析

采用Thermo Fisher Scientific ARL 4460 OES型火花放电原子发射光谱仪对接地闸刀拐臂和穿心导电杆两个样品的材质进行了复核，结果列于表1中。根据国标GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》中对2A12铝合金的成分要求，拐臂中的Cu元素含量略低于国标中3.8%~4.9%的要求范围，而穿心导电杆的Mg元素低于国标中1.2%~1.8%的要求范围。因此，可以判定接地闸刀拐臂和穿心导电杆的2A12铝合金均不符合国家标准，材质不合格。

1.3 金相分析

在接地开关拐臂和穿心导电杆两个样品未发生失效的部位取样镶嵌，打磨抛光后于Zeiss Axiovert 200型光学显微镜下对其金相组织进行分析，典型的金相组织如图3—4所示。从图中可以看出，拐臂和导电杆的晶粒均呈现为长条形，且晶粒尺寸较小。这表明这两个部件均由挤压和拉拔等轧制工艺制备而成。整体来看，两者具备典型的变形铝合金的金相组织，与2A12铝合金的标准金相组织相符合，未见明显异常。

图3 接地闸刀拐臂的金相组织

图4 穿心导电杆的金相组织

1.4 SEM及EDS分析

将接地闸刀拐臂和穿心导电杆样品的失效部位经超声清洗后于ZEISSEVO18型SEM（扫描电子显微镜）下观察其微观表面形貌的图片，如图5—6所示。从这些图中可以看出，两个样品层状剥离区域的表面均是由数量众多的块状、圆球状或龟裂泥土状产物疏松堆叠而成，两者的相似程度很高。而在其他区域，还可以观察到大量形状不规则的点状或胞状物质鼓起或者微裂纹与小孔洞交错分布等表面微观形貌。

表1 接地闸刀拐臂及穿心导电杆的化学成分%

图5 拐臂层状剥离区域的SEM微观显微形貌

图6 穿心导电杆层状剥离区域的SEM微观显微形貌

通过EDS（能谱分析技术）对部分区域进行了成分分析，分析位置及分析结果如图7—8及表2—3所示。结果显示，两个样品的表面均含有较高含量的O（氧）元素，分别高达75.37%和76.35%，而基体Al元素的含量都在22%以下，这表明样品表面的主要物质已经由金属铝转变为了铝的氧化物。除了Al和O两种主要元素外，还在拐臂表面产物中发现了含量为2.87%的腐蚀性元素S（硫）元素，证明表面产物的形成可能与腐蚀过程有关。

图7 拐臂EDS分析区域及分析结果

2 分析与讨论

图8 导电杆EDS分析区域及分析结果

表2 拐臂表面的EDS分析结果%

表3 导电杆表面的EDS分析结果%

根据上述试验结果，接地开关拐臂和穿心导电杆在失效模式、表面微观形貌以及表面产物化学成分等方面均高度一致，因此可以推断两者的失效机理应该是完全相同的。能谱分析结果显示拐臂及导电杆层状剥离区域表面的物质均为O元素含量极高的腐蚀产物，可以判定腐蚀是导致两个样品失效的主要原因。2A12铝合金为了获得优异的力学性能而加入了较高含量的Cu元素，经T4热处理后在金相组织中主要形成θ相（Al2Cu）、 S 相（Al2CuMg）和 β 相（Al7Cu2Fe）等金属间化学物作为第二相起到强化作用。但是，这些第二相和基体之间的电极电位差距很大。含Mg元素的S相电极电位较低，与基体在电解介质中形成原电池而发生阳极溶解，从而形成腐蚀[3]。从微观形貌来看，腐蚀最初只是在表面的个别区域萌生，该阶段以点蚀点形成颗粒状、胞状产物为主，其微观形貌如图6所示。正是这些腐蚀产物的存在才使得拐臂表面部分区域失去了金属光泽，在肉眼观察下呈现深褐色。随着腐蚀时间的延长，腐蚀以点蚀为中心向周围以及内部扩展，腐蚀产物的厚度逐渐增加。当众多点蚀点形成的腐蚀产物相互会聚，形成大面积连续分布时，腐蚀从点蚀阶段进入全面腐蚀阶段。2A12铝合金被腐蚀后， 会陆续形成 Al2O3、 Al（OH）3、 AlCl3等腐蚀产物[1，4]。由于腐蚀产物的体积和变形能力等物理性质与基体金属不同，会在晶界发生“楔入效应”而产生应力。在应力作用下，腐蚀产物或发生龟裂或以粉末的形式脱落。2A12为典型的变形铝合金，挤压成型加工后晶粒一般都为长条形，金相组织图片也印证了这一点。长条形的铝合金晶粒被腐蚀后挤出膨胀，与下层晶粒剥离，从而形成层状剥离的现象。

值得注意的是，发生2A12铝合金部件失效的两个变电站均为位于沿海地区且为室外站。因而拐臂和导电杆两个部件的工作环境相对恶劣，会长期遭受日晒雨淋，干湿交替。沿海地区的空气中普遍具有Cl（氯）离子含量高的特点，腐蚀环境特征明显。相关科学研究表明，Cl离子能够破坏铝合金表面的氧化层而形成液膜，从而为腐蚀过程创造一个合适的前提条件[5-6]。根据能谱分析的结果，在拐臂表面的腐蚀产物中检测出了较高含量的S元素。这说明拐臂所面临的工作环境，同时具备Cl离子含量较高以及酸雨严重的双重特点，即海洋性气候-工业废气双重氛围。工业废气SO2气体在大气中反应形成H2SO4或H2SO3后可随雨水带到拐臂的表面，那么酸就可以与Cl离子相互协同作用，大大加快腐蚀速度[7-8]。除了大气环境，浙江境内的土壤整体呈酸性，土壤中的Cl离子含量也较高，这对2A12铝合金的防腐工作都是较为不利的[9-10]。

综上所述，可以判断接地开关拐臂和穿心导电杆是在海洋-工业废气环境中，干湿交替条件下被全面腐蚀而导致开裂、粉末化或层状剥落的。由于室外工作的2A12铝合金部件事故频发，建议在电气设备制造过程中将该类部件的材料全部更换为5083铝合金，停止2A12铝合金的使用。5083铝合金为Al-Mg系变形铝合金。在该种材料中，对抗腐蚀能力有害的 Cu含量较低，而Mg元素通过固溶作用可同时明显提升材料的抗腐蚀能力以及力学强度。再结合部件尺寸参数的优化调整，5083铝合金可以较好地替代2A12铝合金。

3 结语

2A12铝合金含有较高含量的Cu元素，使得其抗腐蚀性能变差。以2A12铝合金为原材料制造的接地开关拐臂及穿心导电杆在海洋-工业废气环境中，干湿交替的条件下工作极易被腐蚀。当腐蚀程度加深后就会导致这些部件发生开裂、粉末化或层状剥落等现象，影响电气设备安全可靠运行。