分享:近海含SO2 環(huán)境中高壓隔離開關(guān)鋁合金部件的組織 及腐蝕特征
陳劍光1,蘇 賁1,羅 雪2,李小強(qiáng)2,董重里1
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司,廣州510030;2.華南理工大學(xué) 國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心,廣州510640)
摘 要:運(yùn)用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和X射線衍射儀(XRD)對(duì)近海含SO2 環(huán)境中使
用過(guò)的高壓隔離開關(guān)2A12T4鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:2A12T4鋁合金晶粒沿變形
方向拉長(zhǎng),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(cuò)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(rùn)條件下Cl- 和SO2 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用,而拉長(zhǎng)變形的晶粒以及第二相粒子則加速了腐蝕。
關(guān)鍵詞:鋁合金;組織;腐蝕
中圖分類號(hào):TG172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(tái)山火力發(fā)電廠10km。應(yīng)用環(huán)境不僅濕潤(rùn)而且富含腐蝕介質(zhì)SO2 和 Cl- ,這必然會(huì)加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開關(guān)用2A12T4鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物,對(duì)變電站維護(hù)以及安全運(yùn)行具有較為重要的意義洲最大的臺(tái)山火力發(fā)電廠10km。應(yīng)用環(huán)境不僅濕潤(rùn)而且富含腐蝕介質(zhì)SO2 和 Cl- ,這必然會(huì)加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開關(guān)用2A12T4鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產(chǎn)物,對(duì)變電站維護(hù)以及安全運(yùn)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(guò)電子背散射衍射
(EBSD)技術(shù)對(duì)晶粒大小和取向進(jìn)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(guò)BrukerD8AdvanceX射線衍射儀
(XRD)進(jìn)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(jìn)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(xì)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(zhǎng),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(zhǎng)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(duì)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(qiáng)化相S′相、θ′相并沒有充分析出[3],此時(shí)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(guān) 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(cuò)纏結(jié)在 T 相周圍,且以類似彈簧纏繞的蜷線位錯(cuò)為主[6],位錯(cuò)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(wú)析出帶。晶界無(wú)析出帶的形成是由于原子偏聚引起的,強(qiáng)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(wú)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(jìn)一步的腐蝕。但在濕潤(rùn)的近海環(huán)境中,鋁合金表面易形成薄液膜。當(dāng)大氣中高含量的 SO2溶于此薄液膜時(shí),便會(huì)形成亞硫酸,見式(1)。亞硫酸電離后薄液膜呈酸性,同時(shí)亞硫酸容易氧化生成硫酸,反應(yīng)過(guò)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(shí),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(xué)反應(yīng),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(dǎo)致新鮮表面裸露,從而促進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng),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(yán)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(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng),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(yán)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(gè)條件:拉長(zhǎng)的晶粒和晶界析出相或者無(wú)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(wú)沉淀析出帶等相關(guān)[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(yáng)極溶解通道,便于 O2 的擴(kuò)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(tái)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(zhǎng),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(cuò)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(rùn)條件下Cl- 和SO2 兩種腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用,而拉長(zhǎng)變形晶粒以及第二相粒子則進(jìn)一步加速了腐蝕。
(文章來(lái)源:材料與測(cè)試網(wǎng))
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