1 前言

    內(nèi)回路是溫度控制設(shè)備的重要組成部分，其中的冷卻工質(zhì)作為冷媒流經(jīng)內(nèi)回路上的各種換熱裝置，拾取和傳輸熱負(fù)荷，實現(xiàn)艙內(nèi)大氣的溫濕度控制和設(shè)備的溫度控制。乙二醇溶液具有良好的散熱功能，是常見的低溫冷媒，在汽車發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[1] 。

    內(nèi)回路與冷卻工質(zhì)的良好相容性是保證內(nèi)回路實現(xiàn)功能的前提。冷卻工質(zhì)對內(nèi)回路的化學(xué)腐蝕，以及以冷卻液為媒介，內(nèi)回路接觸材料之間的電偶腐蝕問題是需要亟待解決的問題。尤其是在內(nèi)回路材料在冷卻液中存在應(yīng)力腐蝕敏感性時，會加劇材料的腐蝕。尋找具有較強(qiáng)耐腐蝕性能的材料是解決內(nèi)回路冷卻工質(zhì)腐蝕的有效方法之一。

    鈦合金 TA2 材料具有很強(qiáng)的耐蝕性性能。鈦的新鮮表面暴露在空氣或濕氣中時，可立即在形成一層穩(wěn)定的粘附性極強(qiáng)起防護(hù)作用的氧化膜。鈦合金 TA2無晶間腐蝕、點蝕、脫成分腐蝕等危害較大的局部腐蝕敏感性[2~8] 。

    作為內(nèi)回路材料，除考慮鈦合金TA2 本體優(yōu)良的耐腐蝕性外，其引入以后對其它材料的電偶腐蝕以及焊接部位在冷卻工質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕是一個需要重點研究的問題。鈦合金在甲醇溶液中具有應(yīng)力腐蝕敏感性[9] ，但是關(guān)于鈦合金在乙二醇溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性未見報道。

    本文測試鈦合金 TA2 與典型的金屬材料，如不銹鋼 0Cr18Ni9、鋁合金 5A06和 3A21 等，在乙二醇冷卻工質(zhì)的電偶腐蝕，以及 TA2 焊接試驗件的應(yīng)力腐蝕敏感性，以考察鈦合金 TA2 作為冷卻回路材料的可能性。

    2 試驗方法

    2.1 電偶腐蝕測試方法

    采用電化學(xué)測試的方法來檢測電偶腐蝕的敏感性，電化學(xué)試驗采用美國PAR 公司生產(chǎn)的 VMP3 多通道電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行測試，電化學(xué)測試采用三電極系統(tǒng)，以鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。乙二醇冷卻液是由 20% 的乙二醇和 80% 的純凈水配制而成。

    分別測量不同合金材料在乙二醇冷卻液中的開路電位值和腐蝕電流，測量時間為 1800s，判斷電偶腐蝕發(fā)生的敏感性。電偶電流密度的測量按照HB 5374-87“不同金屬電偶電流測定方法”進(jìn)行接觸腐蝕試驗，面積比值為1:1，測定不同金屬組成的電偶對在兩種溶液中的電偶電流密度值，實驗進(jìn)行1800s，電偶電流密度取 1800s 內(nèi)的平均值。

    電偶對在電解液中產(chǎn)生電偶腐蝕的敏感性主要根據(jù)電偶電流密度的大小來決定，按平均電偶電流密度的大小將電偶腐蝕敏感性分為 5 級別，見表 1。

    2.2 應(yīng)力腐蝕測試方法

    采用慢應(yīng)變速率拉伸實驗（SlowStrain Rate Tension，SSRT）研究了 TA2鈦合金和帶焊縫的 TA2 鈦合金（利用微束等離子焊接方法焊接）在乙二醇冷卻液工質(zhì)中的 SCC 行為。SSRT 在 WDML-30KN 微機(jī)控制慢應(yīng)變速率拉伸實驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率為 0.33×10-7s-1，試驗溫度為 25℃。SSRT 試樣按照 GB/T15970 標(biāo)準(zhǔn)制作，長度方向均平行于材料軸向。所有試樣表面用耐水砂紙順著試樣長度方向逐級打磨至 800# 砂紙，除油、清洗、干燥后備用。拉伸試樣分別在空氣中、純水和冷凝水（溶液采用高純氮?dú)膺M(jìn)行除氧）中進(jìn)行 SSRT 試驗，每組試驗包含 2 個平行試樣。在 SSRT試驗之后切取待觀察部位，用掃描電子顯微鏡 QUANTA250（SEM） 對試樣斷口及側(cè)邊裂紋形貌進(jìn)行觀察。

    采用延伸率（δ）、斷面收縮率（Ψ）、延伸率損失 （Iδ） 和斷面收縮率損失（IΨ） 來來表征其 SCC 敏感性。

    3 結(jié)果與討論

    3.1 鈦合金TA2與內(nèi)回路材料在冷卻工質(zhì)中電偶腐蝕研究

    內(nèi)回路的金屬材料主要有不銹鋼和鋁合金，在此以典型的不銹鋼 0Cr18Ni9和鋁合金 5A06、3A21 為例，考察鈦合金與內(nèi)回路材料在乙二醇冷卻工質(zhì)中的電偶腐蝕敏感性。

    圖 1 分別顯示了鈦合金 TA2、不銹 鋼 0Cr18Ni9 和 鋁 合 金 5A06 之 間 形成的電偶對在乙二醇冷卻工質(zhì)中的開路電位和電流密度隨時間的變化曲線。 從 圖 A 中 可 以 看 出， 在 乙 二 醇冷卻工質(zhì)中，三種合金的電極電位：0Cr18Ni9>TA2>5A06，不銹鋼 0Cr18Ni9的腐蝕電位最高，在乙二醇冷卻工質(zhì)中是陰極；鋁合金 5A06 腐蝕電位最低，為陽極。鈦合金和不銹鋼與鋁合金形成的電偶對在乙二醇冷卻工質(zhì)中的電位差都較大，超過 400mV。但是，從圖 B 中可以看出，鈦合金 TA2 和不銹鋼0Cr18Ni9 與鋁合金 5A06 之間的腐蝕電流密度均小于 0.04μA/cm 2 ，電偶腐蝕敏感性等級為A 級，可以直接接觸使用。

    3.2 鈦合金TA2及其焊接件在冷卻工質(zhì)中應(yīng)力腐蝕敏感性研究

    應(yīng)力腐蝕（SCC）是腐蝕和拉應(yīng)力同時作用使金屬產(chǎn)生破裂的現(xiàn)象。鈦合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕是環(huán)境、應(yīng)力和材料 3個因素共同作用的結(jié)果[9] 。應(yīng)力包括在冷加工、鍛造、焊接、熱處理或裝配過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及工作時產(chǎn)生的外應(yīng)力。SCC 具有高度的選擇性，只改變其中任何一個因素，SCC 就不會發(fā)生。本文利用微束等離子焊接方式制作了TA2 鈦合金焊接試驗件，利用慢應(yīng)變速率拉伸實驗的方法，以空氣介質(zhì)為參考，考察了鈦合金 TA2 及焊接件在冷卻工質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性。

    圖 2 為 TA2 鈦合金基材及其焊接件在空氣、冷卻介質(zhì)中的 SSRT 應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。表 2 為延伸率、斷面收縮率及其損失率的計算結(jié)果。可以看出，

    （1）TA2 鈦合金及其焊接件在冷卻工質(zhì)中的斷裂伸長率均小于空氣介質(zhì)中的斷裂伸長率，拉伸強(qiáng)度則相對較高，這是因為在冷卻工質(zhì)中拉伸時會有少量氫滲入到鈦合金內(nèi)部，進(jìn)入基體的氫可以起到釘扎位錯的作用或形成柯氏氣團(tuán)阻礙位錯運(yùn)動，從而使 TA2 鈦合金抗拉強(qiáng)度增大。

    （2）TA2 鈦合金基材及其焊接件在冷卻工質(zhì)中的延伸伸長率損失和斷面收縮率損失均較小，分別為 2.86%、6.25% 和 6.05%、1.11%， 同 時， 如圖 3 所示，TA2 焊接件的斷裂區(qū)域不在焊縫處，而在基材熱應(yīng)力區(qū)，這些均表明，TA2 鈦合金及其焊接件在冷卻工質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性很低。

圖3 TA2鈦合金焊接件拉伸結(jié)束后試樣

    圖 4 ～ 6 分別是 TA2 鈦合金焊接件在空氣和冷卻工質(zhì)中 SSRT 試驗后斷口的宏觀形貌、微觀形貌以及斷口側(cè)面形貌。

    由圖 4 和圖 5 可知，斷口都呈現(xiàn)顯著的頸縮現(xiàn)象，斷口平整程度相差不大，與表 1 得出斷面收縮損失率一致。同時，由于拉伸性能較好，拉伸過程中的空位等會形成或深或淺的孔洞。由圖6可知，鈦合金焊接件在空氣和冷卻工質(zhì)中微觀斷口形貌都是韌窩形貌，拉伸斷口主要呈現(xiàn)各種小型韌窩斷口，幾乎觀察不到脆性斷口。這些均表明 TA2 鈦合金焊接件在冷卻液工質(zhì)中應(yīng)力腐蝕敏感性很低。

    4 結(jié)論與展望

    乙二醇冷卻工質(zhì)面臨著與內(nèi)回路的相容性問題問題，尋找與冷卻工質(zhì)長期相容的內(nèi)回路材料是解決腐蝕問題的有效方法之一。試驗表明，鈦合金 TA2與內(nèi)回路其它典型材料，包含不銹鋼0Cr18Ni9、鋁合金 5A06 等，電偶腐蝕敏感性等級均為 A，可以直接接觸；TA2鈦合金焊接件在冷卻工質(zhì)中的延伸伸長率損失和斷面收縮率損失均較小，分別為 6.05%、1.11%；而且斷裂發(fā)生在基材，非焊接處；同時斷口形貌為韌性形貌，這些均表明 TA2 焊接件在乙二醇冷卻工質(zhì)中不具有應(yīng)力腐蝕敏感性。TA2鈦合金可以作乙二醇冷卻內(nèi)回路的潛在替代材料。

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