暖風(fēng)熱交換器用鋁合金復(fù)合材料折疊管失效分析

夏承東， 任峰巖， 李衛(wèi)東， 嚴(yán) 安， 周德敬

（銀邦金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214145）

汽車(chē)熱交換系統(tǒng)包括冷凝器、蒸發(fā)器、水箱散熱器、中冷器、暖風(fēng)機(jī)和油冷卻器等部件，常用的結(jié)構(gòu)有板翅式、管殼式、圓盤(pán)式、管翅式、管帶式和箱體式等[1-3]。汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展和汽車(chē)節(jié)能降耗的要求，推動(dòng)我國(guó)的乘用車(chē)熱交換器100%鋁合金化，釬焊復(fù)合鋁板帶箔材已成為生產(chǎn)汽車(chē)熱交換器的核心材料[1]。

汽車(chē)暖風(fēng)機(jī)的工作原理是利用冷卻液將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，通過(guò)暖風(fēng)機(jī)管子傳遞到散熱翅片，然后鼓風(fēng)機(jī)將熱量吹入駕駛艙，用于駕駛艙供暖及干燥擋風(fēng)玻璃。隨著汽車(chē)輕量化、長(zhǎng)壽命的發(fā)展需求，要求暖風(fēng)機(jī)等汽車(chē)熱交換器厚度更薄、強(qiáng)度更高、耐腐蝕性能更好。某公司汽車(chē)暖風(fēng)機(jī)熱交換器要求在某冷卻液中腐蝕失效時(shí)間大于338 h，等效于腐蝕壽命15 年。實(shí)際上在腐蝕試驗(yàn)250 h時(shí)，該暖風(fēng)芯體多個(gè)位置發(fā)生了冷卻液泄漏，如圖1所示。因此需要對(duì)該熱交換器進(jìn)行全面的檢測(cè)分析，以確定熱交換器泄漏原因和后續(xù)改進(jìn)方向。

圖 1 暖風(fēng)機(jī)內(nèi)腐蝕試驗(yàn)及泄漏樣品Fig.1 Internal corrosion test and leakage sample of heater

1試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 內(nèi)腐蝕試驗(yàn)和打壓測(cè)試

泄漏的暖風(fēng)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(gè)面均有翅片釬焊連接起來(lái)。折疊管材料為4045/3003mod/3003mod2 三層復(fù)合材料，厚度為0.23 mm，具體成分如表1 所示。內(nèi)腐蝕試驗(yàn)的冷卻液為體積分?jǐn)?shù)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(yàn)溫度90 ℃。每個(gè)試驗(yàn)周期時(shí)長(zhǎng)84 min，其中32 min 時(shí)的冷卻液流速為2 000 L/h，52 min 冷卻液流速為500 L/h。試驗(yàn)250 h時(shí)發(fā)現(xiàn)暖風(fēng)芯體發(fā)生了多處泄漏。

表 1 折疊管鋁合金復(fù)合材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）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(fēng)芯體中切取出來(lái)，清除折疊管表面翅片，然后用亞克力樹(shù)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(jìn)行打壓測(cè)試，通過(guò)水中冒泡點(diǎn)確定泄漏位置。結(jié)果顯示，暖風(fēng)芯體的多根翅片管均發(fā)生多處泄漏，且泄漏均發(fā)生在折疊管管腳折彎處，如圖2 所示。

圖 2 打壓測(cè)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(qū)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(qū)域管材外表面和內(nèi)表面，并對(duì)其外表面和內(nèi)表面泄漏區(qū)域進(jìn)行能譜（energy dispersive X-ray analysis，EDS）分析，以確定是否在泄漏區(qū)域存在異物或異常元素，結(jié)果如圖3 所示。

SEM 照片顯示，管材泄漏區(qū)外表面存在一個(gè)不規(guī)則的孔洞，孔洞邊部斷口較為平整。表明在腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，在500～2 000 L/h 冷卻液的壓力作用下管材發(fā)生了瞬時(shí)斷裂穿孔。管材外表面EDS 分析結(jié)果顯示腐蝕孔洞周?chē)鷰缀蹙鶠楹珹l 和O 元素的腐蝕產(chǎn)物、釬劑元素以及鋁合金復(fù)合材料基體相關(guān)元素。內(nèi)表面SEM 照片顯示孔洞周?chē)哿溯^多的形狀不規(guī)則物質(zhì)，EDS 分析顯示仍然為高Al 和O 元素含量的腐蝕產(chǎn)物、釬劑元素以及鋁合金復(fù)合材料基體相關(guān)元素。內(nèi)表面和外表面未檢測(cè)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(nèi)部含有異物或異常元素引起的。

圖 3 管材泄漏區(qū)域SEM 圖片和EDS 分析結(jié)果Fig.3 SEM images and EDS analysis results of Leakage area

1.3 腐蝕泄漏區(qū)和正常區(qū)域的金相組織

進(jìn)一步對(duì)腐蝕泄漏區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，在折疊管中部管腳的折彎處發(fā)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(qū)域的管材折彎處也已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生優(yōu)先腐蝕，如圖4（b）所示。對(duì)腐蝕泄漏區(qū)域和正常區(qū)域金相樣品進(jìn)行氟硼酸溶液陽(yáng)極覆膜，結(jié)果如圖4（c）和4（d）所示?？梢?jiàn)，釬焊后折疊管的晶粒粗大，呈長(zhǎng)條形；孔洞貫穿管壁的多個(gè)大晶粒。在腐蝕正常區(qū)域可見(jiàn)到管腳折彎處晶粒較為細(xì)小，且在折彎處已開(kāi)始發(fā)生局部腐蝕。

1.4 釬焊管材的金相組織和內(nèi)表面形貌

針對(duì)內(nèi)腐蝕試驗(yàn)后泄漏位置和正常區(qū)域均存在優(yōu)先腐蝕的跡象，對(duì)釬焊后折疊管（未進(jìn)行內(nèi)腐蝕試驗(yàn)）的金相組織和內(nèi)表面形貌進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖5 所示。可見(jiàn)，釬焊后的管材觸水層3003mod2材料折彎處內(nèi)表面分布著不同深度的微小裂紋，其深度約為5～60 μm。進(jìn)一步采用SEM 觀察管材內(nèi)表面，可見(jiàn)到管材內(nèi)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(cè)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(nèi)表面形貌SEM 照片。可見(jiàn)，復(fù)合材料經(jīng)折疊加工成形管后，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(jìn)一步采用SEM 觀察管材內(nèi)表面，驗(yàn)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(guò)程中模具間隙、模具潤(rùn)滑、成形工藝等參數(shù)不合理而造成的，對(duì)釬焊鋁合金材料的腐蝕性能產(chǎn)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(yōu)劣的主要指標(biāo)之一，是熱交換器提高壽命、降低成本、走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。熱交換器用鋁合金復(fù)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(diǎn)蝕、晶間腐蝕、剝蝕（層狀腐蝕）、應(yīng)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(qū)域和正常區(qū)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(nèi)表面形貌照片F(xiàn)ig.5 Microstructure and inner surface topographies of brazed tube (without corrosion test)

材料表面質(zhì)量缺陷不僅導(dǎo)致熱交換器在成形生產(chǎn)過(guò)程中報(bào)廢，浪費(fèi)原材料，增加生產(chǎn)成本，同時(shí) 焊接過(guò)程也會(huì)容易出現(xiàn)焊點(diǎn)扭曲及焊點(diǎn)開(kāi)裂，在后期應(yīng)用過(guò)程中也可造成腐蝕開(kāi)裂等重大問(wèn)題[8]。表面開(kāi)裂和起皺問(wèn)題是金屬材料成形生產(chǎn)過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。產(chǎn)生原因通常有兩個(gè)：一是材料問(wèn)題，由于材料晶粒大小不均勻，伸長(zhǎng)率低、表面質(zhì)量較差，均可導(dǎo)致材料塑性降低，在成形減薄、拉伸過(guò)程中發(fā)生不均勻變形而引起表面橘皮、開(kāi)裂、起皺等現(xiàn)象[9]；二是成形工藝參數(shù)設(shè)置不合理造成的開(kāi)裂和起皺，使成形原材料與模具之間流動(dòng)太慢引起開(kāi)裂、流動(dòng)過(guò)快則導(dǎo)致起皺現(xiàn)象[10]。鋁合金復(fù)合材料在成形過(guò)程中形成的開(kāi)裂和起皺，可留轉(zhuǎn)至后續(xù)的釬焊、測(cè)試和應(yīng)用過(guò)程。該類(lèi)缺陷在內(nèi)腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中增大了與試驗(yàn)溶液的接觸面積和冷卻液的流動(dòng)阻力，因此在開(kāi)裂和起皺區(qū)域易優(yōu)先發(fā)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(nèi)表面形貌照片F(xiàn)ig.6 Microstructure and internal surface morphology of the formed tube (not brazed)

腐蝕電勢(shì)對(duì)熱交換器的陽(yáng)極保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。釬焊鋁合金復(fù)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(duì)鋁合金腐蝕電勢(shì)可產(chǎn)生顯著影響。一般來(lái)說(shuō)，Mn，Cu 和Si 的加入使材料的電勢(shì)正移，Mg 和Zn 的加入使電勢(shì)負(fù)移。研究結(jié)果顯示，每添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的合金元素（固溶狀態(tài)下）對(duì)合金電勢(shì)的影響為：Mn 提高電勢(shì)5.4 mV，Cu 提高電勢(shì)4.9 mV，Si 提高電勢(shì)2.0 mV，Mg 降低電勢(shì)1.3 mV，Zn 降低電勢(shì)9.0 mV[13]。由于該泄漏熱交換器鋁合金復(fù)合材料的觸水層含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的Zn，與Cu 含量較高的高電勢(shì)芯材層形成了較大的電勢(shì)差，因而形成了以觸水層為犧牲陽(yáng)極、芯材層為保護(hù)陰極的原電池，發(fā)生的電偶腐蝕導(dǎo)致觸水層優(yōu)先腐蝕。此外，經(jīng)過(guò)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(jié)晶作用，雖然加工應(yīng)力得以消除，但晶粒得到細(xì)化，如圖4（d）所示，這也增大了折彎區(qū)域晶間腐蝕的傾向[14]。

基于上述檢測(cè)結(jié)果和分析，可以推測(cè)該熱交換器用折疊管的腐蝕穿孔過(guò)程為：管材成形時(shí)在觸水層折彎處表面形成起皺和開(kāi)裂，該管材經(jīng)組裝后釬焊成暖風(fēng)機(jī)，后續(xù)的內(nèi)腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，在循環(huán)冷卻液的沖刷作用和芯材與觸水層的電勢(shì)差下，觸水層折彎處優(yōu)先發(fā)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(huán)冷卻液的持續(xù)沖刷下加速芯材層腐蝕脫落，進(jìn)一步擴(kuò)大腐蝕面積形成穿晶腐蝕，最終造成暖風(fēng)熱交換器在折彎處腐蝕穿孔。

因此，熱交換器鋁合金復(fù)合材料成形過(guò)程中的開(kāi)裂、起皺等表面質(zhì)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(shù)，改善成形管材表面質(zhì)量對(duì)于熱交換器穩(wěn)定化生產(chǎn)和長(zhǎng)壽命使用具有非常重要的意義。

3 結(jié) 論

（1）暖風(fēng)芯體泄漏均發(fā)生在鋁合金復(fù)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(nèi)部含有異物或異常元素引起。

（2）開(kāi)裂、起皺等表面質(zhì)量缺陷是引起暖風(fēng)熱交換器腐蝕泄漏的直接原因，其腐蝕機(jī)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(shù)，改善成形管材的表面質(zhì)量，可有效降低優(yōu)先腐蝕機(jī)制，從而提高暖風(fēng)熱交換器的使用壽命。