中南大学Vacuum：高强耐蚀四层熔覆铝合金的钎焊时效协同强化与腐蚀行为

2026-04-15 16:57:01 作者：本网发布来源：先进焊接技术分享至：

作为冷却系统中的核心传热部件，液冷板需要材料兼具轻量化、高强度和耐腐蚀性，以进一步推动汽车轻量化进程。目前，传统的钎焊复合铝合金常采用不可热处理的3xxx系合金作为核心材料。然而，它们在钎焊后的屈服强度通常在40到100 MPa之间，难以满足日益增长的结构强度需求。

在此背景下，可热处理的6xxx系铝合金因其优异的综合性能，包括高强度、良好的成形性、可焊性和耐腐蚀性，在航空航天和汽车工业中受到了广泛关注，成为理想的候选核心材料。然而，这些合金中相对较高的镁含量（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：扩散到表面的Mg会与KAlF₄钎剂反应，生成KMgF₃、K₂MgF₄和MgF₂等高熔点化合物（熔点~1070 °C），这会严重阻碍液态填充金属的铺展并降低钎焊性。因此，核心材料和钎焊包覆层中的镁含量都必须严格限制在0.3%以下，这在很大程度上限制了6xxx系合金的广泛应用。
为了协同解决强度与钎焊性之间的矛盾，研究人员提出了多层复合结构，通过引入中间阻挡层来抑制Mg的扩散。最近关于6xxx核心复合铝合金的研究也发现，钎焊后进行人工时效可显著提高强度，并且中间层的粗大晶粒有助于抑制Si扩散，表现出与3xxx系复合材料相似的趋势。尽管这些多层结构在增强强度方面显示出潜力，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机制，仍缺乏系统研究。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有很好的相关性，是评估材料在严苛工作条件下性能的有效手段。

基于上述研究现状，中南大学材料科学与工程学院的研究人员设计并制备了一种新型的4045/1050MOD/6xxx/1050MOD四层复合铝合金。通过系统研究其钎焊后力学性能的演变及其在SWAAT环境中的腐蚀行为。重点分析了腐蚀形貌特征、元素扩散行为以及中间层结构对腐蚀过程的影响机制。该研究为开发适用于新能源汽车液冷板的高强度、高耐腐蚀铝合金材料提供了可靠的理论基础和结构设计指导。相关成果已发表在近期的Vacuum期刊上。

该研究的创新点：

（1）设计并制备了4045（钎焊层）/1050MOD（中间层1）/6xxx（核心层）/1050MOD（中间层2）的四层复合结构。

（2）明确了四层结构在腐蚀过程中的协同保护机制。

6xxx四层熔覆铝合金结构图

四层熔覆铝合金制备工艺流程图

钎焊后截面形貌

6xxx四层熔覆铝合金的晶粒结构：(a) O状态；(b) PB；(c) PB+AA-200 °C×2 h；(d) PB+NA-50 d

EBSD微观结构和晶粒尺寸：(a) 1050MOD夹层-O状态；(b) 6xxx芯-O状态；(c) 1050MOD夹层-PB；(b) 6xxx芯-PB

机械性能性能曲线 (a) AA，(b) NA，(c) 对应于 (a)、(d) 构件层中心位置硬度曲线的应力应变曲线

SWAAT测试后的截面形貌和腐蚀深度：(a) 7 d；(b) 14 d；(c) 21 d；(d) 28 d；(e) 35 d；(f) 42 d；(g) 49 d；(h) 56 d

SWAAT腐蚀试验56天后样品表面腐蚀坑的SEM-EDS分析：(a) SEM形貌；(b) 总元素EDS映射；(c) 对应于 (a)、(d)-(h) EDS元素映射中的点A-D的EDS分析结果

不同状态下四层熔覆铝合金拉伸断口形貌的SEM图像：(a) O状态；(b) PB；(c) PB+AA-200 °C×2 h；(d) (a)的局部放大；(e) (b)的局部放大；(f) (c)的局部放大

样品-PB+AA-200 °C×2 h的TEM图像：(a) 样品通过FIB的明场图像；(b) (a)中虚线方块b的相应图像；(c) (b)中相应蓝色虚线方块的沉淀物的FFT图像；(d) HRTEM的晶面间距；(e1~e6) (b)中e的相应EDS图；(f) (a)中核的位错TEM图像

钎焊时表面存在Mg的示意图

SWAAT四层铝合金腐蚀机理示意图

结论

在这项工作中，设计并制备了一种具有4045/1050MOD/6xxx/1050MOD结构的新型四层复合铝合金。通过引入1050MOD中间层，有效抑制了钎焊过程中Mg元素的扩散，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，可以得出以下结论：

(1) 在钎焊后进行200 °C、2小时的人工时效后，材料获得了最佳的力学性能：抗拉强度为252 MPa，屈服强度为214 MPa，延伸率为14%。这些数值明显高于自然时效状态下的性能，并且超过了使用3xxx作为核心材料的传统复合铝合金。

(2) 微观组织分析表明，强度的显著提高主要归因于人工时效后核心材料中大量析出的纳米级Mg₂Si强化相和AlMgSiCu相。

(3) 在严格的SWAAT酸性盐雾腐蚀测试中，材料表现出两阶段的腐蚀过程。在前28天，腐蚀集中在作为阳极的1050MOD中间层，提供牺牲保护。在接下来的28天里，腐蚀进展到6xxx核心材料中，深度进一步增加了340 μm，总腐蚀深度达到478 μm（占总厚度的41.7%）。中间层有效延迟了点蚀向核心层的纵向渗透。