图 1主工作缸及转换孔裂纹宏观形貌
HBM-8型液压弹簧操作机构具有优异的动作特性，且安全性高，被用于断路器操作机构中，而断路器的分合闸动作是由操作机构工作缸内的工作活塞完成的，故工作缸的安全可靠运行对断路器的正常分合闸至关重要[1-3]。HBM-8型液压弹簧操作机构的工作缸材料一般为T6（固溶处理+人工时效）态7020铝合金。7020铝合金属于中高强Al-Zn-Mg合金，具有较高的强度和良好的工艺性能，被广泛应用于多个领域[4-6]。固溶处理和时效处理是改善铝合金组织和性能的两大主要工艺过程[7-8]，经过适当的固溶处理和时效处理后，铝合金具有较好的组织和力学性能[9-10]。
2020年9月，某500 kV变电站500 kV断路器在分闸状态频繁打压（合闸状态下不会频繁打压），推断该断路器机构存在内部油路密封不严的问题。更换了新的机构后，对异常机构开展机构解体检查，发现主工作缸与转换孔间有裂纹。笔者采用一系列理化检验方法对开裂的工作缸进行分析，以探究断路器工作缸开裂并在分闸状态频繁打压的原因。
1. 理化检验
某500 kV变电站500 kV断路器液压弹簧操作机构工作缸材料为7020铝合金，热处理状态为固溶处理+人工时效处理。
采用目视方法，体视显微镜和内窥镜对工作缸进行宏观观察。
在工作缸未开裂区域取样，加工5个直径为10 mm的圆形截面比例拉伸试样，其中比例系数k取值5.65，参照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，采用万能试验机对试样进行抗拉强度和断后伸长率测试。
在工作缸横截面和裂纹附近截取试样，将其抛光、腐蚀后，采用光学显微镜进行观察，腐蚀液中HF和H2O的体积比为1∶1，腐蚀时间为15 s。采用扫描电镜（SEM）对工作缸断口形貌进行观察，并对金相试样进行能谱分析。
1.1 宏观观察
液压机构型号为HMB-8，工作缸表面呈暗灰色，油路孔及法兰密封面保持金属光泽，工作缸外侧表面未发现肉眼可识别的缺陷。工作缸的材料为T6态7020铝合金，机械加工后对其进行阳极氧化处理，其表面呈暗灰色。
使用内窥镜对工作缸内壁进行检查，确定裂纹的分布及位置，结果如图1所示。由图1可知：主工作缸、转换孔内壁有明显的裂纹缺陷，主工作缸内壁有3条连续纵向分布的裂纹，均位于主工作缸和转换孔之间，内壁有活塞滑动留下的划痕；转换孔内壁有1条连续分布的裂纹，方向与主工作缸一致。
采用电火花线切割机床沿工作缸对称面切开，对工作缸内壁进行宏观观察，裂纹表面阳极氧化层已脱落，裂纹表面呈银白色，如图2所示。为观察油缸内裂纹发展的情况，用锯床沿试样横截面切开，用砂纸打磨横截面，结果如图3所示。由图2~3可知：裂纹贯穿整个工作缸和转换孔，裂纹沿两个方向扩展，在截面中间位置交汇。
将图3的截面用腐蚀液腐蚀后，用体视显微镜观察截面，结果如图4所示。由图4可知：有的裂纹未贯穿，有的主裂纹已贯穿横截面，主裂纹附近有多条细小裂纹，呈树枝状分布；有的位置存在晶界裂纹。
1.2 化学成分分析
参照GB/T 16597—2019《冶金产品分析方法 X射线荧光光谱法通则》和GB/T 3190—2020《变形铝及铝合金化学成分》，采用手持式荧光光谱仪对工作缸进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：工作缸材料的化学成分符合GB/T 3190—2020对7020铝合金的要求。
Table 1.泄漏工作缸的化学成分分析结果
1.3 力学性能测试
参照GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用硬度计对工作缸进行布氏硬度测试，保载时间为15 s。工作缸的布氏硬度测试结果分别为127.1，129.6，128.7 HBW。工作缸的布氏硬度达到128.5 HBW标准值，布氏硬度满足设计要求（不小于125 HBW）。
工作缸室温拉伸试验结果如表2所示。工作缸的抗拉强度设计要求为不小于410 MPa，断后伸长率的设计要求为不小于9%，工作缸的抗拉强度和断后伸长率分别为467 MPa、12.68%，可见抗拉强度和断后伸长率满足要求。
Table 2.工作缸室温拉伸试验结果
1.4 微观分析
故障工作缸的基体组织为粗大的α固溶体，局部晶界复熔，出现复熔球，如图5所示。故障工作缸SEM形貌如图6所示。晶界复熔组织和基体的能谱分析结果如表3所示，晶界处复熔球组成元素主要为Al、Zn、Mg，其中Zn元素含量较基体偏高，复熔球属于析出的第二相。工作缸原材料成型前经过固溶处理+人工时效热处理，且为了增加工作缸的耐磨性，工作缸成型后表面经过阳极氧化热处理。当热处理温度过高时，在α固溶体的晶界容易发生复熔，形成复熔球。
故障工作缸裂纹位置微观形貌如图7所示，裂纹在晶界萌生，并沿晶界向组织内部扩展，形成沿晶裂纹。
故障工作缸断口无明显塑性变形，断面存在方向不同的“小平面”，如图8（a）所示；高倍下断口呈沿晶断裂特征，断口表面未发现韧窝特征，如图8（b）所示。脆性沿晶断裂是由晶界上形成的脆性相、氢脆、应力腐蚀、过热等导致的，这种过程没有明显的塑性变形，断口显示出“石状”特征。
2. 综合分析
故障断路器操作机构工作缸的主工作缸内壁有3条位于主工作缸和转换孔之间连续纵向分布的裂纹，其中1条裂纹贯穿主工作缸和转换孔。故障工作缸的晶粒粗大，局部晶界形成复熔球组织。在热处理时,由于温度过高，低熔点共晶物融化后沿晶界析出,形成复熔球，复熔球沿晶界析出会造成晶界应力集中，晶界上的复熔球数量较多会对基体产生削弱作用，导致断口呈沿晶断裂形貌特征[11-15]。由于工作缸的晶界存在复熔球，在油压的长时间作用下，裂纹会在晶界复熔球位置萌生并沿晶界扩展，发生沿晶断裂。
由于断路器操作机构工作缸的主工作缸和转换孔之间存在贯穿性裂纹，当断路器在分闸已储能状态时，主工作缸内为高压油[图9（a）中红色部分]，转换孔内为低压油[图9（a）中蓝色部分]，主工作缸和转换孔内的油存在油压差，高压油会通过贯穿的裂纹向低压油方向泄漏，导致高压油内的油压减小，当主工作缸内的油压减小到临界值时，断路器机构开始通过打压提高主工作缸内的油压，如此反复造成断路器在分闸状态出现频繁打压故障。当断路器在合闸储能状态时，主工作缸和转换孔内均为高压油，不存在油压差[图9（b）中红色部分]，主工作缸和转换孔之间的贯穿性裂纹不会影响高压油路中的油压，故断路器不会在合闸状态下频繁打压。
3. 结论及建议
（1）工作缸在热处理过程中温度过高，造成缸体晶粒粗大，且局部晶界出现复熔球，使得晶界强度降低，工作缸在油压的长时间作用下，裂纹在晶界复熔球处萌生并沿晶界扩展，最终贯穿工作缸，导致工作缸泄漏并在分闸状态下频繁打压。
（2）在热处理过程中，要严格控制加热温度，防止材料整体或局部温度过高，出现有害组织，降低工作缸的使用性能。
文章来源——材料与测试网