变电站平面接触型Cu/Al设备线夹运行状态的实验模拟研究

摘要

Cu/Al设备线夹是变电站及发电厂输电线路中大量使用的基础设施,其运行状态评估直接关系到整个输电线路及输配电安全。Cu/Al设备线夹长期服役于野外环境,中性盐雾腐蚀(沿海地区)和工业大气腐蚀(工业污染区)是造成Cu/Al设备线夹损伤的主要形式。此外,Cu/Al设备线夹在运行过程中,长时间的高电压、大电流作用,也易发生损伤。本文选用变电站及发电厂输电线路中常用的钎焊平面接触型Cu/Al设备线夹,模拟研究了其腐蚀行为及长期高温运行状态,为Cu/Al设备线夹的运行维护提供理论依据和科学指导。　　本文采用50±5g/L的NaCl溶液和0.01mol/L NaCl+0.1mol/L NaHSO3溶液两种腐蚀介质开展盐雾腐蚀实验,模拟研究 Cu/Al设备线夹在沿海地区和工业污染区环境下的腐蚀行为,通过分析 Cu/Al设备线夹腐蚀产物的组成及结构、腐蚀断面形貌和电学性能变化,研究了Cu/Al设备线夹的腐蚀过程和腐蚀机理。通过对Cu/Al设备线夹进行150℃直至720 h的人工时效处理,研究了Cu/Al设备线夹时效前后的界面显微组织结构、断口形貌和力学、电学性能变化,探讨了Cu/Al设备线夹的老化及失效机制。　　在中性盐雾腐蚀和大气腐蚀过程中,Cu/Al设备线夹的腐蚀主要以Al/Sn-Pb合金钎料界面的电化学腐蚀为主,表现为Cu/Al设备线夹Al侧断面的腐蚀层龟裂、点蚀以及Cu侧断面Sn-Pb合金钎料腐蚀。Cu/Al设备线夹的腐蚀产物组成复杂,随着腐蚀时间的增加,腐蚀程度加剧,部分线夹在Al/Sn-Pb合金钎料界面发生开裂。此外,Cu/Al设备线夹的电阻率在腐蚀初期变化不大,而在腐蚀后期上升明显,相比之下,Cu/Al设备线夹的工业大气腐蚀程度强于中性盐雾腐蚀。　　在150℃时效过程中,Cu/Al设备线夹 Cu/Sn-Pb钎料界面形成由 Cu6Sn5及Cu3Sn构成的金属间化合物(IMC)层,在其前沿的Sn-Pb钎料中还形成了富Pb层。IMC层的生长符合抛物线型的规律,为一个扩散控制的动力学过程,150℃时该IMC层的生长系数k=3.5×10-17 m2/s。随着时效的进行,Cu/Al设备线夹的剪切强度持续降低,时效720 h后,剪切强度下降将近20％,剪切断裂位置由焊料内部向IMC层前沿Sn-Pb钎料向富Pb层转移,断裂形式也由韧性断裂向脆性断裂转变。时效也导致 Cu/Al设备线夹的电阻率明显上升。Cu/Al设备线夹老化乃至失效是 IMC层、富Pb层、Kirkendall孔隙及微裂纹等显微组织结构变化共同作用的结果。

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第一章 绪 论

1.1 序言

1.2 Cu/Al过渡设备线夹的焊接

1.3 Cu/Al过渡设备线夹的大气腐蚀

1.4 焊接接头的热损伤行为

1.5 本研究的主要内容

第二章 实验材料及试验方法

2.1 实验用Cu/Al设备线夹

2.2 Cu/Al设备线夹的盐雾腐蚀实验

2.3 Cu/Al设备线夹的热损伤实验

2.4 分析测试

2.5 主要仪器设备

第三章 Cu/Al设备线夹的中性盐雾腐蚀

3.1 Cu/Al设备线夹腐蚀状态观察

3.2 Cu/Al设备线夹的腐蚀产物及腐蚀断口形貌

3.3 Cu/Al设备线夹的腐蚀机理

3.4 腐蚀Cu/Al设备线夹的电学性能

3.5 本章小结

第四章 Cu/Al设备线夹的大气腐蚀

4.1 Cu/Al设备线夹腐蚀状态及腐蚀产物的相成分

4.2 Cu/Al设备线夹的腐蚀行为及腐蚀产物层形貌

2.3 大气腐蚀对Cu/Al线夹电学性能的影响

2.4 本章小结

第五章 Cu/Al设备线夹的热损伤

5.1 Cu/Al设备线夹的显微组织结构

5.2 Cu/Al设备线夹界面结构及IMC层生长动力学

5.3 时效过程对Cu/Al设备线夹力学、电学性能的影响

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 未来研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况