通过钎焊时效处理实现的协同强化效应及其在高强度耐腐蚀四层包覆铝合金中的腐蚀行为研究

本研究设计并制备了一种新型四层包覆铝合金（4045/1050MOD/6xxx/1050MOD），通过钎焊（600℃×10min）结合人工时效（200℃×2h），显著提升了材料强度（抗拉强度252MPa，屈服强度214MPa）并抑制Mg扩散，在盐雾环境中表现出优异的耐腐蚀性（腐蚀深度比41.7%），为新能源汽车热管理系统提供了理论依据和结构设计参考。

作者：曹琦 | 赵娜 | 杨天一 | 张正金 | 程龙 | 周德静 | 刘辉

中南大学材料科学与工程学院，长沙，410083，中国

摘要

为了满足新能源汽车用液冷板对铝合金的多功能要求，包括高强度、优异的耐腐蚀性和良好的可钎焊性，设计并制备了一种新型的4045/1050MOD/6xxx/1050MOD四层包覆铝合金。在600°C下钎焊10分钟后，通过各种人工和自然时效处理，系统研究了该合金在SWAAT盐雾环境中的微观结构演变、力学性能和腐蚀行为。结果表明，在200°C下进行2小时的人工时效处理后，样品的极限抗拉强度和屈服强度分别达到了252 MPa和214 MPa，相比退火状态分别提高了150%和330%，显著优于自然时效和传统的3xxx系列包覆铝合金。微观结构分析显示，1050MOD中间层有效抑制了镁（Mg）向表面的扩散，其粗大的长晶粒结构有助于减轻硅（Si）向内扩散引起的熔化侵蚀现象。经过56天的SWAAT盐雾测试后，腐蚀深度比仅为41.7%。中间层作为牺牲阳极，表现出典型的层状腐蚀特征，有效延缓了点蚀向基材内部的扩展。本研究为高强度、高耐腐蚀性多层包覆铝合金在新能源汽车热管理系统中的应用提供了理论基础和结构设计参考。

引言

随着全球新能源汽车产业的快速发展，国际能源机构预测到2025年电动汽车销量将超过2000万辆，这对动力电池热管理系统的性能提出了更高要求。作为冷却系统中的核心传热部件，液冷板需要轻质、高强度且高耐腐蚀性的材料，以进一步实现车辆轻量化。目前，传统的钎焊包覆铝合金通常使用不可热处理的3xxx系列合金作为基材。然而，这些合金的钎焊后屈服强度通常仅在40至100 MPa之间，难以满足日益增长的结构强度需求。在这种情况下，可热处理的6xxx系列铝合金因具有优异的综合性能（如高强度、良好的成型性、可焊性和耐腐蚀性）而在航空航天和汽车行业受到广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。然而，这些合金中相对较高的镁（Mg）含量（通常>0.5%）在590–620°C的保护气氛钎焊过程中容易导致“镁中毒”现象：镁扩散到表面并与KAlF熔剂反应，形成高熔点化合物（如KMgF₃、K₂MgF₄和MgF₂，熔点约为1070°C），严重阻碍了液态填充金属的扩散并降低了可钎焊性。因此，基材和钎焊包层的镁含量必须严格限制在0.3%以下[[5], [6], [7]]，这大大限制了6xxx系列合金的广泛应用。

为了解决强度与可钎焊性之间的矛盾，研究人员提出了多层复合结构，引入中间阻挡层来抑制镁的扩散[[8], [9], [10]]。例如，Yuan等人[[11], [12], [13]]的研究表明，在传统的3xxx三层结构中加入中间层可以有效阻碍硅和铜的互扩散，防止富铜沉淀物的形成，从而提高材料的耐腐蚀性。最近关于6xxx基材包覆铝合金的研究也发现，钎焊后的人工时效处理显著提高了强度，中间层的粗大晶粒有助于抑制硅的扩散，其效果与3xxx系列包层类似[[8], [9], [10], [14]]。尽管这些多层结构在增强强度方面具有潜力，但它们在酸性盐雾等恶劣环境中的腐蚀行为，特别是中间层在腐蚀过程中的作用和机制，仍缺乏系统的研究。海水酸化加速试验（SWAAT）的结果与材料在实际应用中的使用寿命密切相关，是评估材料在严苛工作条件下的性能的有效方法。研究人员广泛使用该方法来评估铝合金用于热交换器的耐腐蚀性[[15], [16], [17], [18], [19]]。

基于上述研究现状，本研究设计并制备了一种新型的4045/1050MOD/6xxx/1050MOD四层包覆铝合金。通过系统研究钎焊后其力学性能的演变以及在SWAAT环境中的腐蚀行为，并结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和辉光放电光谱法（GDOES）等表征技术，本文重点分析了腐蚀形态特征、元素扩散行为以及中间层结构对腐蚀过程的影响机制。本研究旨在为开发适用于新能源汽车液冷板的高强度、高耐腐蚀性铝合金材料提供可靠的理论基础和结构设计指导。

材料设计与制备

本研究采用了总厚度为1.2毫米的四层层状结构。各层的顺序分别为钎焊层、中间层1、基材层和中间层2。基材层采用6xxx系列铝合金（Al-0.91Mg-0.61Si）。中间层1和中间层2均采用1050MOD合金（Al-0.59Mn），作为功能层以抑制钎焊过程中镁的扩散。钎焊层采用4045铝合金（Al-10.13Si）。

钎焊层的流动性和界面形态

使用HORIBA EMGA-930分析仪测定了钎焊后包覆铝合金中的氧（O）、氮（N）和氢（H）元素含量。结果显示氧含量为14 ppm，氢含量为23 ppm，氮含量低于1 ppm。材料在制备过程中的氧、氢和氮含量极低，表明残余气体污染极少，不会对钎焊接头的质量产生显著影响。 钎焊层的流动性决定了焊接性能。

讨论

本研究设计并制备了一种新型的4045/1050MOD/6xxx/1050MOD四层包覆铝合金。通过“钎焊-人工时效”协同处理，该材料的强度显著优于传统的3xxx基材包覆铝合金。此外，它在恶劣的SWAAT盐雾环境中表现出优异的耐腐蚀性，这得益于中间层的牺牲阳极效应。

结论

本研究设计并制备了一种具有4045/1050MOD/6xxx/1050MOD结构的新型四层包覆铝合金。通过引入1050MOD中间层，有效抑制了钎焊过程中的镁元素扩散，确保了优异的钎焊性能。通过对时效强化和腐蚀行为的研究，得出以下结论：

• (1)
  在200°C下进行2小时的人工时效处理后，材料获得了最佳的力学性能：

作者贡献声明

曹琦：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源准备、方法论。 赵娜：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论。 杨天一：撰写 – 原稿撰写、数据可视化、实验研究。 张正金：撰写 – 原稿撰写、实验研究。 程龙：方法论、数据分析。 周德静：资源准备、资金获取。 刘辉：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。