天津大学材料电化学与表界面科学团队《JMST》:一种热交换器用四层铝合金复合板的局部腐蚀行为

2024-12-10 14:04:16 作者：王明洋来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：王明洋

通讯作者：夏大海

通讯单位：天津大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.09.002

01 全文速览

本文从截面和平面方向研究了一种四层铝合金复合板4045/7072/3003 M/4045在氯化钠溶液中的电化学和局部腐蚀行为。研究发现平面方向比截面具有更高的耐腐蚀性，几乎所有的局部腐蚀都是由含硅相引起的。截面存在四层铝合金之间复杂的电流效应，根据开路电位、极化曲线和极化形貌可以判断7072作为牺牲阳极，与两侧的铝合金板形成腐蚀电偶，起到了保护的作用。

02 背景介绍

随着现代设备高性能、长寿命的发展趋势，减重和提高效率已成为所有高端设备的共同特征。铝合金具有高比强度/比模量、耐热性高、耐腐蚀性高等优点，广泛应用于汽车热交换器等领域。由于热交换器需要在高温和潮湿环境下长期使用，这对材料的高温性能和耐蚀性能有较高要求，将不同型号铝合金进行复合是一种新的思路。3xxx铝合金常用作热交换器的铝复合片的核心层，提供高温强度。4xxx铝合金作为包层在钎焊过程中形成焊缝提高层间结合力。为了进一步提高与液体接触一侧铝合金的耐蚀性，同时防止芯层铝合金因腐蚀而失效，通常会复合一层7xxx铝合金作为牺牲阳极，给芯层提供保护。

03 研究意义

复合材料是提高材料综合性能的有效手段，通过合理的设计和加工往往可以达到1+1>2的效果。本文中的四层铝合金复合板通过三种不同铝合金板的复合和加工获得了耐高温、抗腐蚀等优异性能，进一步提高了铝合金的应用。但是，由于海水中氯离子的存在，铝合金容易发生局部腐蚀，这限制了铝合金热交换器在海水和海洋大气领域的应用。因此，研究该铝合金复合板在海水中的腐蚀机理，可以为适合在海洋环境中使用的热交换器的开发提供理论指导。

04图文解析

该铝合金复合板（M836C）的结构如图1所示，由4045/7072/3003M/4045四层铝合金复合而成。在本次实验中我们选取四个不同的方向进行研究，这四个面分别是两个不同的平面A、B、沿轧制方向RD和垂直于轧制方向TD。

图2显示了沿滚动方向的横截面表面上的区域I的微观结构。观测区域用两个边长为200 μm的正方形标记。在I区，发现了4045铝合金厚度为80 μm的覆层和3003铝合金厚度为120 μm的芯层。包层粒尺寸小于20 μm，而芯层晶粒尺寸较大，且沿轧制方向拉长。区域II的主要织构为立方体方向，{100}<001>，这被报道为典型的面心立方体（fcc）金属的再结晶织构。可见，立方体织构主要存在于7072层中。

B平面样品的OCP值较高(−0.72 VSCE)比横截面样品(−0.80 VSCE)，表明截面方向相对于平面电化学性质较为活泼。据报道，7xxx系铝合金的腐蚀电位低于3xxx和4xxx系列铝合金。在这种情况下，当截面暴露于氯化钠溶液中时，4045层与7072层、7072层和3003 M层之间形成了腐蚀电偶，根据开路电位判断，7072层作为牺牲阳极，腐蚀加速，而3003 M层和4045层作为阴极被保护。从极化曲线可以看出，由于截面样品层间电偶效应，截面样品的极化曲线相对于平面样品的整体向右平移。

电动极化后的截面形态呈明显分层（图4(a))，从左到右为4045/3003 M/7072/4045层。不同层的腐蚀程度不同，7072层作为牺牲阳极溶解严重，表面形成深凹陷（图4(d)）。由于牺牲阳极的保护，在4045层和3072层两侧的3003 M层周围只有轻微的点蚀。

从图5(a)可以看出，A平面样品的奈奎斯特曲线一般由两个电容弧组成。高频电容电弧与电双层电容（CPEf）并联的腐蚀产物膜电阻（Rf）有关，而低频电容电弧与电双层电容（CPEdl）并联的电荷转移电阻（Rct）有关。浸泡4 h后，在低频范围内出现了感应电弧。电容弧半径代表腐蚀产物膜的阻抗，电容弧半径越大，说明腐蚀产物膜的阻抗越大，耐腐蚀性越强。电容电弧半径随着浸没时间的延长而逐渐减小，表明A平面的耐腐蚀性降低。B平面与A平面耐蚀性能变化一致，不同的是二者出现感抗的时间点不同。我们知道感抗的出现与腐蚀中间产物（Al(OH)ads）的吸附和解吸速率之间的差异密切相关，二者较大的差异会导致感抗的产生。在这种情况下，随着铝合金上腐蚀产物的形成，Al(OH)ads的解吸速率可能会随扩散速率的降低而降低。此外，点蚀坑的腐蚀持续进行，进一步增加了中间产物的吸附和解吸速率的差异。当吸附速率超过解吸速率时，可以明显地看到感应环。我们知道感抗出现于点蚀孕育期，当点蚀坑形成并稳定后感会消失，因此可以根据感抗出现的时间判断B面的点蚀比A平面更早进入孕育期并形成稳定点蚀坑。

如图6所示，不同平面的局部腐蚀行为机制。由于该铝合金复合板的非对称结构，A、B平面的耐蚀性能存在些许差异，但是二者的腐蚀都是由含Si第二相引起，主要发生点蚀。由不同铝合金板复合而成的截面发生了严重的电偶腐蚀，三种铝合金的开路电位顺序从高到低为：4045/3003 M/7072。因此，在发生电偶腐蚀时7072作为牺牲阳极阳极优先腐蚀，而两侧的铝合金则作为阴极被保护起来，仅发生轻微的腐蚀。

05 作者简介

夏大海（通讯作者）：夏大海，1984年3月出生，山东威海人，2012年7月毕业于天津大学，获博士学位。现就职于天津大学，副教授、硕士研究生导师。主要研究方向为腐蚀电化学。承担国家自然科学基金面上项目和青年项目、“十三五”装备预研国防科技重点实验室基金等多项课题。现任中国腐蚀与防护学会第十一届理事、中国腐蚀与防护学会青年工作委员会委员、中国腐蚀与防护学会腐蚀电化学及测试方法委员会委员。已在Electrochim. Acta、J. Electrochem. Soc.、Corros. Sci.等国内外学术刊物上发表SCI论文150余篇，H因子33。荣获天津市科技进步二等奖、2020-2021年度天津市工程专业学位硕士研究生优秀论文指导教师、天津大学沈志康奖教金。目前担任Anti-Corrosion Methods and Materials期刊副主编、Corrosion Communications期刊Associate editor、《中国腐蚀与防护学报》和《装备环境工程》期刊编委、《中国有色金属学报》中、英文版的青年编委。2023 年获得中国腐蚀与防护学会杰出青年学术成就奖。

06 引用本文

M.Y. Wang, Y.Y. Ji, D.H. Xia, D.J. Zhou, Y.S. Zhu, Z.M. Gao, Z.B. Qin, W.B. Hu, Effect of substrate orientations on the electrochemical and localized corrosion behavior of a quad-layer Al alloy composite, J. Mater. Sci. Technol. 176 (2024) 57–68.