1 前言

    内回路是温度控制设备的重要组成部分，其中的冷却工质作为冷媒流经内回路上的各种换热装置，拾取和传输热负荷，实现舱内大气的温湿度控制和设备的温度控制。乙二醇溶液具有良好的散热功能，是常见的低温冷媒，在汽车发动机等领域应用较广[1] 。

    内回路与冷却工质的良好相容性是保证内回路实现功能的前提。冷却工质对内回路的化学腐蚀，以及以冷却液为媒介，内回路接触材料之间的电偶腐蚀问题是需要亟待解决的问题。尤其是在内回路材料在冷却液中存在应力腐蚀敏感性时，会加剧材料的腐蚀。寻找具有较强耐腐蚀性能的材料是解决内回路冷却工质腐蚀的有效方法之一。

    钛合金 TA2 材料具有很强的耐蚀性性能。钛的新鲜表面暴露在空气或湿气中时，可立即在形成一层稳定的粘附性极强起防护作用的氧化膜。钛合金 TA2无晶间腐蚀、点蚀、脱成分腐蚀等危害较大的局部腐蚀敏感性[2~8] 。

    作为内回路材料，除考虑钛合金TA2 本体优良的耐腐蚀性外，其引入以后对其它材料的电偶腐蚀以及焊接部位在冷却工质中的应力腐蚀是一个需要重点研究的问题。钛合金在甲醇溶液中具有应力腐蚀敏感性[9] ，但是关于钛合金在乙二醇溶液中的应力腐蚀敏感性未见报道。

    本文测试钛合金 TA2 与典型的金属材料，如不锈钢 0Cr18Ni9、铝合金 5A06和 3A21 等，在乙二醇冷却工质的电偶腐蚀，以及 TA2 焊接试验件的应力腐蚀敏感性，以考察钛合金 TA2 作为冷却回路材料的可能性。

    2 试验方法

    2.1 电偶腐蚀测试方法

    采用电化学测试的方法来检测电偶腐蚀的敏感性，电化学试验采用美国PAR 公司生产的 VMP3 多通道电化学设备进行测试，电化学测试采用三电极系统，以铂片为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。乙二醇冷却液是由 20% 的乙二醇和 80% 的纯净水配制而成。

    分别测量不同合金材料在乙二醇冷却液中的开路电位值和腐蚀电流，测量时间为 1800s，判断电偶腐蚀发生的敏感性。电偶电流密度的测量按照HB 5374-87“不同金属电偶电流测定方法”进行接触腐蚀试验，面积比值为1:1，测定不同金属组成的电偶对在两种溶液中的电偶电流密度值，实验进行1800s，电偶电流密度取 1800s 内的平均值。

    电偶对在电解液中产生电偶腐蚀的敏感性主要根据电偶电流密度的大小来决定，按平均电偶电流密度的大小将电偶腐蚀敏感性分为 5 级别，见表 1。

    2.2 应力腐蚀测试方法

    采用慢应变速率拉伸实验（SlowStrain Rate Tension，SSRT）研究了 TA2钛合金和带焊缝的 TA2 钛合金（利用微束等离子焊接方法焊接）在乙二醇冷却液工质中的 SCC 行为。SSRT 在 WDML-30KN 微机控制慢应变速率拉伸实验机上进行，拉伸应变速率为 0.33×10-7s-1，试验温度为 25℃。SSRT 试样按照 GB/T15970 标准制作，长度方向均平行于材料轴向。所有试样表面用耐水砂纸顺着试样长度方向逐级打磨至 800# 砂纸，除油、清洗、干燥后备用。拉伸试样分别在空气中、纯水和冷凝水（溶液采用高纯氮气进行除氧）中进行 SSRT 试验，每组试验包含 2 个平行试样。在 SSRT试验之后切取待观察部位，用扫描电子显微镜 QUANTA250（SEM） 对试样断口及侧边裂纹形貌进行观察。

    采用延伸率（δ）、断面收缩率（Ψ）、延伸率损失 （Iδ） 和断面收缩率损失（IΨ） 来来表征其 SCC 敏感性。

    3 结果与讨论

    3.1 钛合金TA2与内回路材料在冷却工质中电偶腐蚀研究

    内回路的金属材料主要有不锈钢和铝合金，在此以典型的不锈钢 0Cr18Ni9和铝合金 5A06、3A21 为例，考察钛合金与内回路材料在乙二醇冷却工质中的电偶腐蚀敏感性。

    图 1 分别显示了钛合金 TA2、不锈 钢 0Cr18Ni9 和 铝 合 金 5A06 之 间 形成的电偶对在乙二醇冷却工质中的开路电位和电流密度随时间的变化曲线。 从 图 A 中 可 以 看 出， 在 乙 二 醇冷却工质中，三种合金的电极电位：0Cr18Ni9>TA2>5A06，不锈钢 0Cr18Ni9的腐蚀电位最高，在乙二醇冷却工质中是阴极；铝合金 5A06 腐蚀电位最低，为阳极。钛合金和不锈钢与铝合金形成的电偶对在乙二醇冷却工质中的电位差都较大，超过 400mV。但是，从图 B 中可以看出，钛合金 TA2 和不锈钢0Cr18Ni9 与铝合金 5A06 之间的腐蚀电流密度均小于 0.04μA/cm 2 ，电偶腐蚀敏感性等级为A 级，可以直接接触使用。

    3.2 钛合金TA2及其焊接件在冷却工质中应力腐蚀敏感性研究

    应力腐蚀（SCC）是腐蚀和拉应力同时作用使金属产生破裂的现象。钛合金产生应力腐蚀是环境、应力和材料 3个因素共同作用的结果[9] 。应力包括在冷加工、锻造、焊接、热处理或装配过程中产生的残余应力以及工作时产生的外应力。SCC 具有高度的选择性，只改变其中任何一个因素，SCC 就不会发生。本文利用微束等离子焊接方式制作了TA2 钛合金焊接试验件，利用慢应变速率拉伸实验的方法，以空气介质为参考，考察了钛合金 TA2 及焊接件在冷却工质中的应力腐蚀敏感性。

    图 2 为 TA2 钛合金基材及其焊接件在空气、冷却介质中的 SSRT 应力 - 应变曲线。表 2 为延伸率、断面收缩率及其损失率的计算结果。可以看出，

    （1）TA2 钛合金及其焊接件在冷却工质中的断裂伸长率均小于空气介质中的断裂伸长率，拉伸强度则相对较高，这是因为在冷却工质中拉伸时会有少量氢渗入到钛合金内部，进入基体的氢可以起到钉扎位错的作用或形成柯氏气团阻碍位错运动，从而使 TA2 钛合金抗拉强度增大。

    （2）TA2 钛合金基材及其焊接件在冷却工质中的延伸伸长率损失和断面收缩率损失均较小，分别为 2.86%、6.25% 和 6.05%、1.11%， 同 时， 如图 3 所示，TA2 焊接件的断裂区域不在焊缝处，而在基材热应力区，这些均表明，TA2 钛合金及其焊接件在冷却工质中的应力腐蚀敏感性很低。

图3 TA2钛合金焊接件拉伸结束后试样

    图 4 ～ 6 分别是 TA2 钛合金焊接件在空气和冷却工质中 SSRT 试验后断口的宏观形貌、微观形貌以及断口侧面形貌。

    由图 4 和图 5 可知，断口都呈现显著的颈缩现象，断口平整程度相差不大，与表 1 得出断面收缩损失率一致。同时，由于拉伸性能较好，拉伸过程中的空位等会形成或深或浅的孔洞。由图6可知，钛合金焊接件在空气和冷却工质中微观断口形貌都是韧窝形貌，拉伸断口主要呈现各种小型韧窝断口，几乎观察不到脆性断口。这些均表明 TA2 钛合金焊接件在冷却液工质中应力腐蚀敏感性很低。

    4 结论与展望

    乙二醇冷却工质面临着与内回路的相容性问题问题，寻找与冷却工质长期相容的内回路材料是解决腐蚀问题的有效方法之一。试验表明，钛合金 TA2与内回路其它典型材料，包含不锈钢0Cr18Ni9、铝合金 5A06 等，电偶腐蚀敏感性等级均为 A，可以直接接触；TA2钛合金焊接件在冷却工质中的延伸伸长率损失和断面收缩率损失均较小，分别为 6.05%、1.11%；而且断裂发生在基材，非焊接处；同时断口形貌为韧性形貌，这些均表明 TA2 焊接件在乙二醇冷却工质中不具有应力腐蚀敏感性。TA2钛合金可以作乙二醇冷却内回路的潜在替代材料。

    参考文献 :

    [1] 刘丽明，王晓波，王萍等 . 汽车发动机冷却系统的腐蚀与防护 [J]. 化工科技 .2001 （02）：31-33.

    [2] 杨　东，郭金明 . 钛合金的腐蚀机理及耐蚀钛合金的发展现状 [J]，钛工业进展，2011，28（2）：4-7.

    [3] 张晓云，汤智慧，孙志华等。钛合金的电偶腐蚀与防护[J]，材料工程 ,2010,11:74-78.

    [4] 王安安，樊爱民，龙晋民等 . 钛合金腐蚀行为的研究 [J]，昆明工学院学报，1995,20（2）：75~80.

    [5] 张晓云 , 赵胜华 , 汤智慧等 . 表面处理对 TC21 钛合金与铝合金、钢电偶腐蚀行为的影响 [J]. 材料工程 ,2006,（12）：40 -45.

    [6] 刘建华 , 吴昊 , 李松梅等 . 表面处理对 TC2 钛合金电偶腐蚀的影响 [J]. 腐蚀科学与防护技术 , 2003,15（1）：13-17 .

    [7] 山川 . 钛合金的应力腐蚀开裂与腐蚀电化学研究 [D]. 中国海洋大学，2013.

    [8] 司卫华 . 钛合金与钢的电偶腐蚀行为研究 [J]，材料开发与应用，2013，34~38.

    [9] 吴荫顺，姜应律，褚洪等 . 钛合金 TA7 在醇溶液的应力腐蚀敏感性 [J]，北京科技大学学报，2003,25（1）：40-43.