新能源車用多層鋁合金復合材料開發(fā)及其性能研究

張 斌，曹 琦

(銀邦金屬復合材料股份有限公司，江蘇 無錫 214145)

新能源汽車(new energy vehicle,簡稱NEV)是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源(或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置)[1-3]，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車電池冷卻降溫技術主要分為風冷、液冷和直冷三種方式，其中風冷目前廣泛應用于電動大巴車中，液冷在乘用車中較為普遍，直冷技術要求最高、是未來的發(fā)展方向。

對于電池冷卻器等部件，通常主要考慮的是材料強度和產品的耐腐蝕性能。在材料的選擇上既要考慮材料的自身強度，又要考慮在釬焊時有好的抗溶蝕能力和后續(xù)使用過程的耐腐蝕能力，這樣才能保證新能源汽車部件達到更好的耐久性[4-6]。目前電池冷卻器的材料以3層長壽命鋁合金復合材料為主，它可以滿足一定的釬焊性能和耐腐蝕能力。但是從新能源汽車發(fā)展的輕量化、耐久性和部件內腔高潔凈度的發(fā)展趨勢來看，新型的高強度和耐腐蝕綜合性能優(yōu)異的鋁合金復合材料開發(fā)是一個新的發(fā)展趨勢。

自20世紀50年代開始，就有文獻報道關于對熱交換復合材料增加中間層合金的設計，以改善釬焊性能和減輕釬焊過程中的溶蝕等問題，這類材料主要應用在傳統(tǒng)內燃機汽車的換熱部件上[5-6]?，F(xiàn)在新能源汽車快速發(fā)展，然而新型復合材料在新能源電池冷卻部件上的應用，特別是涉及高強度、抗溶蝕、好的耐腐蝕性能的新型復合材料的研究，以及優(yōu)化電位分布等綜合系統(tǒng)的研究工作還未見報道。

本課題主要是開發(fā)增加優(yōu)化的中間層鋁合金而得到多層復合材料，取代傳統(tǒng)的3層鋁合金復合材料，以便獲得更高強度、大大改善釬焊溶蝕和優(yōu)化電位分布等綜合性能好的新型鋁合金復合材料，從而滿足新能源換熱器部件的更高應用環(huán)境需求。

所謂的長壽命復合材料，就是復合材料的芯材Si含量比較少時(一般質量分數(shù)小于0.2%)，當復合材料釬焊時焊料層中的Si元素從焊料層向芯材擴散，產生一定深度的擴散帶，電鏡下顯示該擴散帶是大量的細小析出物。 由于擴散帶的產生導致該處的合金元素固溶度降低，該擴散帶的電位比芯材中間位置的電位偏低約30 mV～50 mV，從而產生犧牲陽極的保護效果[7]。

1 復合材料制備與試驗方法

1.1 復合材料設計

本課題在高強度芯材(高Si含量)和釬焊料之間采用優(yōu)化中間層的方法來制得綜合性能更好的多層鋁合金復合材料。通過對比分析增加中間層合金后材料的強度、抗溶蝕能力和耐腐蝕性能等綜合指標，希望能達到較好的設計要求。

分別選用表1所示的A、B、C三種芯材。A為硅含量較低的鋁合金芯材，認為它具有長壽命材料特性。B和C為高硅芯材，對它們分別采取添加優(yōu)化中間層和不加中間層作對比試驗。B、C合金的主要區(qū)別是合金的Fe含量不一樣，其余主要元素相同。它們的具體成分如表1所示。本課題設計了5種不同結構的鋁合金復合材料，編號為1#、2#、3#、4#、5#，分別對應不同的芯材、皮材和中間層的組合，參見表2。

表1 三種芯材(A、B、C)和添加中間層3003MOD以及皮材4343鋁合金的主要成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Main compositions of 3 core materials(A，B，C) and 4343 Al alloy with interlayer 3003 MOD and the clad material(wt/%)

表2 設計的不同復合材料的結構組成Table 2 Component of different composite structures

1.2 復合材料樣品釬焊

5種復合材料的釬焊模擬試驗制度如下：采用25 min從室溫升到600 ℃，保溫3 min～5 min后，開爐門空冷。

原材料和翅片一起進行釬焊試驗，把原材料板片和加工成型的翅片采用夾具夾持后，按上述釬焊制度在相同的爐子中進行釬焊試驗。圖1為翅片和原材料釬焊試驗示意圖。

圖1 原材料和翅片釬焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of the raw material and the formed fin brazing

1.3 性能測試方法

對編號1#～5#的復合材料進行模擬釬焊試驗后分別進行釬焊溶蝕分析、力學性能檢測和腐蝕試驗分析。 此外，對不同編號的復合材料和成型翅片組合的模擬釬焊試驗樣也進行相應的腐蝕試驗分析。

拉伸性能在Zwick-Z020型拉伸機上進行室溫拉伸，按照標準GB/T 228.1-2010進行試樣加工；材料的二次相析出分析是采用蔡司Sigma掃描電鏡進行細小顆粒的形貌觀察與分析；SWAAT(模擬海水腐蝕試驗)是在ASCOTT S1000xp型試驗箱中根據(jù)ASTM G85,A3標準進行，每個海水鹽霧測試周期為2 h，先進行30 min鹽霧噴淋，然后緊接著進行1.5 h保濕；材料的腐蝕電位測試是用AUTOLAB設備,在58.5 g NaCl和9 mL體積分數(shù)為30%的H2O2與去離子水配制成1 L的溶液中進行的。

2 試驗結果與分析

2.1 不同復合材料釬焊前后的組織

圖2為5種不同復合材料的原始金相組織。圖2a、b、d為1#，2#和4#復合材料芯材為A、B、C三種芯材的常規(guī)3層復合材料的金相形貌。圖2c、e是對B、C的芯材進行添加優(yōu)化3003MOD合金中間層的3#、5#復合材料的金相組織，顯示出在焊料4343(皮材)和芯材中間有一層中間層的5層材料結構。

圖2 5種復合材料的金相組織Fig.2 Microstructures of 5 composite materials

圖3顯示5種不同復合材料釬焊后的組織形貌。圖3a為A芯材的復合材料釬焊試驗后的組織形貌，可以看出焊料和芯材界面處有高密度沉淀擴散帶。

space development and utilization in a City ZHANG Li-bo CHEN Xue-mei XI Kai et al.(39)

圖3 5種復合材料模擬釬焊試驗后芯材溶蝕組織對比Fig.3 The core material corrosion structure comparison of 5 composite materials after simulating brazing test

B、C芯材的復合材料由于芯材的硅含量高，在焊料和芯材中間沒有擴散帶，不具備長壽命復合材料特點。模擬釬焊試驗后，不添加中間層的復合材料，發(fā)現(xiàn)有明顯的芯材溶蝕，如圖3b、d所示。而對于B、C芯材并添加有中間層的復合材料，金相組織顯示芯材的溶蝕大大減輕，可以看到焊料融化后對芯材溶蝕較小，焊料均勻凝固在材料表面，如圖3c、e所示。

作為對比，長壽命1#復合材料自身具備長壽命效果，雖然沒有添加中間層，釬焊后芯材的溶蝕比2#、4#不添加中間層材料的也明顯輕一些。A芯材的復合材料的溶蝕程度介于B、C芯材添加有中間層的復合材料和不添加中間層的復合材料之間。

2.2 不同復合材料釬焊后的強度性能

表3示出5種不同復合材料釬焊后的強度性能。對比1#和2#復合材料的性能，可以看出2#材料強度高于1#材料的，從成分可以看出2#材料的芯材中含有更高的Si、Cu和Mn；對比2#和4#復合材料的性能，4#材料的強度比2#的高出5 N/mm2左右，主要是因為2#復合材料的芯材中Fe元素含量較4#復合材料芯材的高。Fe元素在鋁合金中由于固溶度很低，在鑄造過程中會結合鋁合金中的Mn、Si等元素以化合物形式析出[8-10]，從而降低鋁合金中的固溶強化元素的固溶度，導致材料的強度下降。

表3 5種復合材料模擬釬焊試驗后的強度性能Table 3 Strength properties of 5 composite materials after simulating brazing test

對比2#和3#復合材料或者4#和5#復合材料的強度性能，可以看出相同芯材的復合材料，添加中間層合金后，對應材料的強度均沒有下降，反而稍有上升；這主要是因為添加了優(yōu)化的中間層再結合特殊工藝，可以保持復合材料的高強度。如圖4所示，中間層合金在熱加工過程析出非常細小和彌散的亞尺寸顆粒，從而產生更多的彌散強化效果。

圖4 3#和5#復合材料的中間層析出顆粒SEM分析Fig.4 SEM analysis on the interlayer particle precipitation of the composites of 3# and 5#

2.3 不同復合材料電位測試結果

表4為5種復合材料模擬釬焊試驗后材料表面電位和芯材電位的對比分析。 可以看出有中間層的復合材料釬焊后表面電位要更低一些，主要是由于中間層抑制了芯材的Cu向表面擴散和減輕了焊料向芯材的溶蝕。

圖5所示為4#和5#復合材料模擬釬焊后表面平均Cu元素分布。4#材料(無中間層)釬焊后表面4343鋁合金的Cu含量明顯高于5#材料的(有中間層設計)。 4#材料模擬釬焊后表面平均Cu元素在w(Cu)=0.2%～0.25%范圍；而5#材料由于有中間層設計，可以阻擋Cu元素向表面擴散，表面平均Cu含量w(Cu)<0.2%。表面Cu含量不同會造成電位分布不同。

表4 5種復合材料的焊料和芯材的電位對比Table 4 Potential comparison of filler metal and core materials of 5 composites

2.4 5種復合材料的腐蝕性能對比分析(不帶翅片釬焊)

5種不同復合材料模擬釬焊后，進行模擬海水加速腐蝕試驗(SWAAT試驗)，對于長壽命無中間層的1#復合材料, 經過25 d SWAAT腐蝕后是側向腐蝕，同時腐蝕深度占材料厚度的20%左右，如圖6a所示。2#、4#復合材料無中間層，25 d的SWAAT腐蝕試驗后，材料出現(xiàn)明顯深度方向腐蝕，而且腐蝕深度達到材料厚度的2/3，如圖6b、d所示。

圖5 4#(無中間層)和5#(有中間層)復合材料模擬釬焊試驗后表面Cu元素SEM-EDS分析Fig.5 SEM-EDS analysis on the Cu element distribution of the surfaces of 4#(without the interlayer) and 5# (with the interlayer) composites after simulated brazing

3#、5#復合材料是添加優(yōu)化中間層的5層復合材料結構，60 d SWAAT腐蝕試驗后材料的腐蝕僅發(fā)生在中間層這個厚度內，沒有腐蝕到芯材，腐蝕深度也在20%左右，如圖6c、e所示。

圖6 5種不同復合材料的腐蝕形貌對比(1#、2#、4#是25 d腐蝕試驗， 3#、5#為60天腐蝕試驗)Fig.6 Comparison of corrosion morphologies of 5 composite materials after 25 days of 1#/2#/4# and 60days of 3#/5#

對比3#、5# 2種添加有優(yōu)化中間層的復合材料的腐蝕形貌, 可以看出5#材料 (C芯材的5層復合材料)的腐蝕形貌相比于3#材料(B芯材的5層復合材料)腐蝕形貌更傾向于側向腐蝕、而非深度方向腐蝕。這也說明C芯材合金搭配優(yōu)化中間層后的耐腐蝕性能更稍好一些。

無論是B芯材還是C芯材，搭配優(yōu)化中間層后的釬焊鋁合金復合材料，相比于1#長壽命復合材料的耐腐蝕能力都有成倍的提高。

2.5 搭配翅片設計后復合材料腐蝕性能分析

對以上5種不同復合材料和翅片組合后進行模擬釬焊試驗，然后進行腐蝕行為研究，研究翅片保護部分和沒有翅片保護部分的腐蝕情況，結果如表5所示。可以看出，5種復合材料在有翅片保護情況下(傳統(tǒng)的水箱或者中冷器產品釬焊翅片)，在60 d的SWAAT腐蝕試驗后所有材料都沒有出現(xiàn)泄漏；在沒有翅片保護情況下，1#，2#和4#復合材料分別在40 d，20 d和30 d出現(xiàn)腐蝕泄露穿孔；但是3#和5#復合材料(設計的添加有中間層的5層復合材料)，沒有翅片保護情況下在60 d腐蝕條件下沒有出現(xiàn)泄露。

對于電池冷卻器應用的材料，不同于傳統(tǒng)的水箱或者中冷器材料會有釬焊翅片的保護。新能源電池冷卻器不釬焊翅片，該類產品主要依靠自身材料的耐腐蝕能力滿足設計應用要求。所以，對于新能源復合材料的應用我們重點關注材料自身的耐腐蝕能力。

表5的數(shù)據(jù)說明本課題設計的添加優(yōu)化中間層合金后的高性能5層復合材料，依靠復合材料自身的耐腐蝕能力，可以達到常規(guī)3層復合材料釬焊翅片組合保護的耐腐蝕效果，同時力學強度更高，大大拓展了鋁合金復合材料在新能源換熱器部件沒有翅片保護情況下的應用市場。

表5 5種復合材料是否搭配翅片保護的腐蝕情況對比分析Table 5 Corrosion performance comparison of 5 composite materials with or without fin brazed protection

3 結 論

1)添加優(yōu)化的中間層設計后，釬焊鋁合金復合材料母材的釬焊溶蝕程度相比較目前常規(guī)3層長壽命復合材料明顯降低。

2)添加優(yōu)化的中間層后，大大提升釬焊鋁合金復合材料的自身耐腐蝕能力。該類材料在60 d的模擬海水腐蝕后自身腐蝕深度在總厚度的20%以下；耐腐蝕壽命比目前常規(guī)的長壽命復合材料的提高1倍以上。

3)以本課題的C合金為芯材，搭配合理的中間層后的5#復合材料，即10%4343/10%3003MOD/C芯材/10%3003MOD/10%4343，無論在強度和耐腐蝕性能上最為優(yōu)異。

4)通過合金成分優(yōu)化及優(yōu)化中間層結構設計，可以獲得更高力學性能和更優(yōu)異耐腐蝕性能的釬焊鋁合金多層復合材料，可以滿足新能源電池冷卻部件發(fā)展的輕量化、耐久性和高的內腔潔凈度等技術發(fā)展趨勢。隨著市場新能源快速發(fā)展該新型復合材料的市場需求也必然潛力巨大。