周宇通，陳小林，張小菊，鄒君文，孫慶峰，周 楨

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

0 引言

2A12硬質(zhì)鋁合金（舊牌號(hào)為LY12）屬于Al-Mg-Cu（鋁-鎂-銅）系合金，經(jīng)T4熱處理（固溶處理+自然時(shí)效）后具有強(qiáng)度高、延展性好、易成型加工、電性能優(yōu)良等特點(diǎn)，因而在航空、航天以及電力等領(lǐng)域大量使用。由于2A12鋁合金的力學(xué)性能十分優(yōu)異，常被制作成設(shè)備線夾、母線金具、動(dòng)作機(jī)構(gòu)等需要承力的部件用于電力傳輸設(shè)備[1-2]。

近期，巡檢人員發(fā)現(xiàn)某變電站線路接地開關(guān)拐臂發(fā)生嚴(yán)重粉末化。不久又在另一變電站發(fā)現(xiàn)電流互感器一次穿心導(dǎo)電桿發(fā)生層狀剝落。經(jīng)查閱相關(guān)資料，兩者的材質(zhì)均為2A12鋁合金。接連兩次故障失效部件的材質(zhì)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(duì)2A12鋁合金的失效原因進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌分析

對(duì)失效的接地開關(guān)拐臂以及穿心導(dǎo)電桿進(jìn)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(shù)量眾多，大小不等的深灰色斑點(diǎn)，最大面積可達(dá)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(xiàn)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(yán)重處，其截面長度較原始設(shè)計(jì)尺寸已經(jīng)減少8 mm以上。

圖1 接地開關(guān)拐臂的宏觀形貌

圖2 穿心導(dǎo)電桿的宏觀形貌

穿心導(dǎo)電桿桿體的外徑約為60 mm。導(dǎo)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(xiàn)象的層狀剝落。剝落的層數(shù)較多，影響面積較大，并同樣已造成部分導(dǎo)電桿桿體缺失。剝落情況最嚴(yán)重處，桿體直徑已減薄約5 mm。

1.2 化學(xué)成分分析

采用Thermo Fisher Scientific ARL 4460 OES型火花放電原子發(fā)射光譜儀對(duì)接地閘刀拐臂和穿心導(dǎo)電桿兩個(gè)樣品的材質(zhì)進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果列于表1中。根據(jù)國標(biāo)GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中對(duì)2A12鋁合金的成分要求，拐臂中的Cu元素含量略低于國標(biāo)中3.8%~4.9%的要求范圍，而穿心導(dǎo)電桿的Mg元素低于國標(biāo)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(dǎo)電桿的2A12鋁合金均不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)不合格。

1.3 金相分析

在接地開關(guān)拐臂和穿心導(dǎo)電桿兩個(gè)樣品未發(fā)生失效的部位取樣鑲嵌，打磨拋光后于Zeiss Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡下對(duì)其金相組織進(jìn)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(dǎo)電桿的晶粒均呈現(xiàn)為長條形，且晶粒尺寸較小。這表明這兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)電桿樣品的失效部位經(jīng)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(gè)樣品層狀剝離區(qū)域的表面均是由數(shù)量眾多的塊狀、圓球狀或龜裂泥土狀產(chǎn)物疏松堆疊而成，兩者的相似程度很高。而在其他區(qū)域，還可以觀察到大量形狀不規(guī)則的點(diǎn)狀或胞狀物質(zhì)鼓起或者微裂紋與小孔洞交錯(cuò)分布等表面微觀形貌。

表1 接地閘刀拐臂及穿心導(dǎo)電桿的化學(xué)成分%

圖5 拐臂層狀剝離區(qū)域的SEM微觀顯微形貌

圖6 穿心導(dǎo)電桿層狀剝離區(qū)域的SEM微觀顯微形貌

通過EDS（能譜分析技術(shù)）對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行了成分分析，分析位置及分析結(jié)果如圖7—8及表2—3所示。結(jié)果顯示，兩個(gè)樣品的表面均含有較高含量的O（氧）元素，分別高達(dá)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(zhì)已經(jīng)由金屬鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榱虽X的氧化物。除了Al和O兩種主要元素外，還在拐臂表面產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了含量為2.87%的腐蝕性元素S（硫）元素，證明表面產(chǎn)物的形成可能與腐蝕過程有關(guān)。

圖7 拐臂EDS分析區(qū)域及分析結(jié)果

2 分析與討論

圖8 導(dǎo)電桿EDS分析區(qū)域及分析結(jié)果

表2 拐臂表面的EDS分析結(jié)果%

表3 導(dǎo)電桿表面的EDS分析結(jié)果%

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，接地開關(guān)拐臂和穿心導(dǎo)電桿在失效模式、表面微觀形貌以及表面產(chǎn)物化學(xué)成分等方面均高度一致，因此可以推斷兩者的失效機(jī)理應(yīng)該是完全相同的。能譜分析結(jié)果顯示拐臂及導(dǎo)電桿層狀剝離區(qū)域表面的物質(zhì)均為O元素含量極高的腐蝕產(chǎn)物，可以判定腐蝕是導(dǎo)致兩個(gè)樣品失效的主要原因。2A12鋁合金為了獲得優(yōu)異的力學(xué)性能而加入了較高含量的Cu元素，經(jīng)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(xué)物作為第二相起到強(qiáng)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(zhì)中形成原電池而發(fā)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(gè)別區(qū)域萌生，該階段以點(diǎn)蝕點(diǎn)形成顆粒狀、胞狀產(chǎn)物為主，其微觀形貌如圖6所示。正是這些腐蝕產(chǎn)物的存在才使得拐臂表面部分區(qū)域失去了金屬光澤，在肉眼觀察下呈現(xiàn)深褐色。隨著腐蝕時(shí)間的延長，腐蝕以點(diǎn)蝕為中心向周圍以及內(nèi)部擴(kuò)展，腐蝕產(chǎn)物的厚度逐漸增加。當(dāng)眾多點(diǎn)蝕點(diǎn)形成的腐蝕產(chǎn)物相互會(huì)聚，形成大面積連續(xù)分布時(shí)，腐蝕從點(diǎn)蝕階段進(jìn)入全面腐蝕階段。2A12鋁合金被腐蝕后， 會(huì)陸續(xù)形成 Al2O3、 Al（OH）3、 AlCl3等腐蝕產(chǎn)物[1，4]。由于腐蝕產(chǎn)物的體積和變形能力等物理性質(zhì)與基體金屬不同，會(huì)在晶界發(fā)生“楔入效應(yīng)”而產(chǎn)生應(yīng)力。在應(yīng)力作用下，腐蝕產(chǎn)物或發(fā)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(diǎn)。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(xiàn)象。

值得注意的是，發(fā)生2A12鋁合金部件失效的兩個(gè)變電站均為位于沿海地區(qū)且為室外站。因而拐臂和導(dǎo)電桿兩個(gè)部件的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，會(huì)長期遭受日曬雨淋，干濕交替。沿海地區(qū)的空氣中普遍具有Cl（氯）離子含量高的特點(diǎn)，腐蝕環(huán)境特征明顯。相關(guān)科學(xué)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(chuàng)造一個(gè)合適的前提條件[5-6]。根據(jù)能譜分析的結(jié)果，在拐臂表面的腐蝕產(chǎn)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(huán)境，同時(shí)具備Cl離子含量較高以及酸雨嚴(yán)重的雙重特點(diǎn)，即海洋性氣候-工業(yè)廢氣雙重氛圍。工業(yè)廢氣SO2氣體在大氣中反應(yīng)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(xié)同作用，大大加快腐蝕速度[7-8]。除了大氣環(huán)境，浙江境內(nèi)的土壤整體呈酸性，土壤中的Cl離子含量也較高，這對(duì)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(guān)拐臂和穿心導(dǎo)電桿是在海洋-工業(yè)廢氣環(huán)境中，干濕交替條件下被全面腐蝕而導(dǎo)致開裂、粉末化或?qū)訝顒兟涞摹Ｓ捎谑彝夤ぷ鞯?A12鋁合金部件事故頻發(fā)，建議在電氣設(shè)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(duì)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(shí)明顯提升材料的抗腐蝕能力以及力學(xué)強(qiáng)度。再結(jié)合部件尺寸參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，5083鋁合金可以較好地替代2A12鋁合金。

3 結(jié)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(guān)拐臂及穿心導(dǎo)電桿在海洋-工業(yè)廢氣環(huán)境中，干濕交替的條件下工作極易被腐蝕。當(dāng)腐蝕程度加深后就會(huì)導(dǎo)致這些部件發(fā)生開裂、粉末化或?qū)訝顒兟涞痊F(xiàn)象，影響電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行。