暖風熱交換器用鋁合金復合材料折疊管失效分析

夏承東， 任峰巖， 李衛東， 嚴 安， 周德敬

（銀邦金屬復合材料股份有限公司，江蘇 無錫 214145）

汽車熱交換系統包括冷凝器、蒸發器、水箱散熱器、中冷器、暖風機和油冷卻器等部件，常用的結構有板翅式、管殼式、圓盤式、管翅式、管帶式和箱體式等[1-3]。汽車輕量化技術的發展和汽車節能降耗的要求，推動我國的乘用車熱交換器100%鋁合金化，釬焊復合鋁板帶箔材已成為生產汽車熱交換器的核心材料[1]。

汽車暖風機的工作原理是利用冷卻液將發動機工作時產生的熱量，通過暖風機管子傳遞到散熱翅片，然后鼓風機將熱量吹入駕駛艙，用于駕駛艙供暖及干燥擋風玻璃。隨著汽車輕量化、長壽命的發展需求，要求暖風機等汽車熱交換器厚度更薄、強度更高、耐腐蝕性能更好。某公司汽車暖風機熱交換器要求在某冷卻液中腐蝕失效時間大于338 h，等效于腐蝕壽命15 年。實際上在腐蝕試驗250 h時，該暖風芯體多個位置發生了冷卻液泄漏，如圖1所示。因此需要對該熱交換器進行全面的檢測分析，以確定熱交換器泄漏原因和后續改進方向。

圖 1 暖風機內腐蝕試驗及泄漏樣品Fig.1 Internal corrosion test and leakage sample of heater

1試驗過程與結果

1.1 內腐蝕試驗和打壓測試

泄漏的暖風熱交換器為平面層疊式，即折疊管和翅片交叉層疊，在折疊管上下兩個面均有翅片釬焊連接起來。折疊管材料為4045/3003mod/3003mod2 三層復合材料，厚度為0.23 mm，具體成分如表1 所示。內腐蝕試驗的冷卻液為體積分數10%乙二醇和90%去離子水混合溶液，并含有一定量的氯離子和乙醇酸，試驗溫度90 ℃。每個試驗周期時長84 min，其中32 min 時的冷卻液流速為2 000 L/h，52 min 冷卻液流速為500 L/h。試驗250 h時發現暖風芯體發生了多處泄漏。

表 1 折疊管鋁合金復合材料化學成分（質量分數/%）Tab.1 Compositions of aluminum alloy composite material for folded tube（mass fraction/%）

將可能泄漏的翅片管從暖風芯體中切取出來，清除折疊管表面翅片，然后用亞克力樹脂粉與固化劑的混合液密封住管材一端，另一端通入壓縮空氣并放入水中進行打壓測試，通過水中冒泡點確定泄漏位置。結果顯示，暖風芯體的多根翅片管均發生多處泄漏，且泄漏均發生在折疊管管腳折彎處，如圖2 所示。

圖 2 打壓測試的折疊管和泄漏位置截面示意圖Fig.2 Folded tube for pressure test and schematic diagram of leakage location section

1.2 泄漏區域的形貌和EDS 分析

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察泄漏區域管材外表面和內表面，并對其外表面和內表面泄漏區域進行能譜（energy dispersive X-ray analysis，EDS）分析，以確定是否在泄漏區域存在異物或異常元素，結果如圖3 所示。

SEM 照片顯示，管材泄漏區外表面存在一個不規則的孔洞，孔洞邊部斷口較為平整。表明在腐蝕試驗過程中，在500～2 000 L/h 冷卻液的壓力作用下管材發生了瞬時斷裂穿孔。管材外表面EDS 分析結果顯示腐蝕孔洞周圍幾乎均為含Al 和O 元素的腐蝕產物、釬劑元素以及鋁合金復合材料基體相關元素。內表面SEM 照片顯示孔洞周圍集聚了較多的形狀不規則物質，EDS 分析顯示仍然為高Al 和O 元素含量的腐蝕產物、釬劑元素以及鋁合金復合材料基體相關元素。內表面和外表面未檢測到其他異物或異常元素，這表明管材的泄漏不是由于材料內部含有異物或異常元素引起的。

圖 3 管材泄漏區域SEM 圖片和EDS 分析結果Fig.3 SEM images and EDS analysis results of Leakage area

1.3 腐蝕泄漏區和正常區域的金相組織

進一步對腐蝕泄漏區域和正常區域進行金相組織觀察，結果如圖4 所示。由圖4 可見，在折疊管中部管腳的折彎處發生了腐蝕穿孔，孔洞直徑約為400 μm，孔洞端面較為平整。正常區域的管材折彎處也已經開始發生優先腐蝕，如圖4（b）所示。對腐蝕泄漏區域和正常區域金相樣品進行氟硼酸溶液陽極覆膜，結果如圖4（c）和4（d）所示?？梢?，釬焊后折疊管的晶粒粗大，呈長條形；孔洞貫穿管壁的多個大晶粒。在腐蝕正常區域可見到管腳折彎處晶粒較為細小，且在折彎處已開始發生局部腐蝕。

1.4 釬焊管材的金相組織和內表面形貌

針對內腐蝕試驗后泄漏位置和正常區域均存在優先腐蝕的跡象，對釬焊后折疊管（未進行內腐蝕試驗）的金相組織和內表面形貌進行了檢測，結果如圖5 所示?？梢?，釬焊后的管材觸水層3003mod2材料折彎處內表面分布著不同深度的微小裂紋，其深度約為5～60 μm。進一步采用SEM 觀察管材內表面，可見到管材內表面存在大量深淺不一的起皮、裂紋等缺陷。

1.5 成形管材的金相組織和表面形貌

為追蹤釬焊后管材的表面缺陷，檢測了成形后的管材表面形貌。圖6 示出了成形后管材的金相照片和內表面形貌SEM 照片?？梢姡瑥秃喜牧辖浾郫B加工成形管后，在3003mod2 材料折彎處就已存在深淺不一的微小裂紋，其深度約為5～60 μm。進一步采用SEM 觀察管材內表面，驗證了管材表面起皮、裂紋等缺陷的存在。這些缺陷是由于管材加工成形過程中模具間隙、模具潤滑、成形工藝等參數不合理而造成的，對釬焊鋁合金材料的腐蝕性能產生了重要的影響[4]。

2 分析與討論

腐蝕性能是衡量熱交換器性能優劣的主要指標之一，是熱交換器提高壽命、降低成本、走向實際應用的關鍵。熱交換器用鋁合金復合材料的腐蝕主要包括全面腐蝕和局部腐蝕。其中在酸溶液、堿溶液中的腐蝕為典型的全面腐蝕，而點蝕、晶間腐蝕、剝蝕（層狀腐蝕）、應力腐蝕、電偶腐蝕和焊縫腐蝕等均為局部腐蝕[5-7]。

圖 4 管材泄漏區域和正常區域的顯微組織Fig.4 Microstructures of the leakage and normal area of folded tube

圖 5 釬焊后管材的金相組織和內表面形貌照片Fig.5 Microstructure and inner surface topographies of brazed tube (without corrosion test)

材料表面質量缺陷不僅導致熱交換器在成形生產過程中報廢，浪費原材料，增加生產成本，同時 焊接過程也會容易出現焊點扭曲及焊點開裂，在后期應用過程中也可造成腐蝕開裂等重大問題[8]。表面開裂和起皺問題是金屬材料成形生產過程中的常見問題。產生原因通常有兩個：一是材料問題，由于材料晶粒大小不均勻，伸長率低、表面質量較差，均可導致材料塑性降低，在成形減薄、拉伸過程中發生不均勻變形而引起表面橘皮、開裂、起皺等現象[9]；二是成形工藝參數設置不合理造成的開裂和起皺，使成形原材料與模具之間流動太慢引起開裂、流動過快則導致起皺現象[10]。鋁合金復合材料在成形過程中形成的開裂和起皺，可留轉至后續的釬焊、測試和應用過程。該類缺陷在內腐蝕試驗過程中增大了與試驗溶液的接觸面積和冷卻液的流動阻力，因此在開裂和起皺區域易優先發生縫隙腐蝕，如圖4（a）和4（b）。

圖 6 成形折疊管（未釬焊）的金相照片和內表面形貌照片Fig.6 Microstructure and internal surface morphology of the formed tube (not brazed)

腐蝕電勢對熱交換器的陽極保護結構設計至關重要。釬焊鋁合金復合材料的常用合金元素為Mn，Cu，Si，Mg 和Zn[11-12]等，這些元素的含量對鋁合金腐蝕電勢可產生顯著影響。一般來說，Mn，Cu 和Si 的加入使材料的電勢正移，Mg 和Zn 的加入使電勢負移。研究結果顯示，每添加質量分數0.1%的合金元素（固溶狀態下）對合金電勢的影響為：Mn 提高電勢5.4 mV，Cu 提高電勢4.9 mV，Si 提高電勢2.0 mV，Mg 降低電勢1.3 mV，Zn 降低電勢9.0 mV[13]。由于該泄漏熱交換器鋁合金復合材料的觸水層含有質量分數1.5%的Zn，與Cu 含量較高的高電勢芯材層形成了較大的電勢差，因而形成了以觸水層為犧牲陽極、芯材層為保護陰極的原電池，發生的電偶腐蝕導致觸水層優先腐蝕。此外，經過成形加工和釬焊后，折疊管折彎處的芯材和觸水層材料由于變形和再結晶作用，雖然加工應力得以消除，但晶粒得到細化，如圖4（d）所示，這也增大了折彎區域晶間腐蝕的傾向[14]。

基于上述檢測結果和分析，可以推測該熱交換器用折疊管的腐蝕穿孔過程為：管材成形時在觸水層折彎處表面形成起皺和開裂，該管材經組裝后釬焊成暖風機，后續的內腐蝕試驗過程中，在循環冷卻液的沖刷作用和芯材與觸水層的電勢差下，觸水層折彎處優先發生縫隙腐蝕和電偶腐蝕；觸水層折彎處腐蝕穿孔后冷卻液觸及芯材，在循環冷卻液的持續沖刷下加速芯材層腐蝕脫落，進一步擴大腐蝕面積形成穿晶腐蝕，最終造成暖風熱交換器在折彎處腐蝕穿孔。

因此，熱交換器鋁合金復合材料成形過程中的開裂、起皺等表面質量缺陷將大大影響熱交換器的腐蝕壽命。制定合理的成形工藝參數，改善成形管材表面質量對于熱交換器穩定化生產和長壽命使用具有非常重要的意義。

3 結 論

（1）暖風芯體泄漏均發生在鋁合金復合材料折疊管的折彎處，泄漏是由腐蝕穿孔造成的，并非由材料內部含有異物或異常元素引起。

（2）開裂、起皺等表面質量缺陷是引起暖風熱交換器腐蝕泄漏的直接原因，其腐蝕機制為縫隙腐蝕和電偶腐蝕的綜合作用。

（3）制定合理的成形工藝參數，改善成形管材的表面質量，可有效降低優先腐蝕機制，從而提高暖風熱交換器的使用壽命。