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材料选择对铝制散热器使用寿命的影响

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1.参试散热器

  实验对象为六种不同材料组合的散热器,分别编号如表1至表3所示,(包括扁管、翅片和集流管三个部分)。A,B 和C的扁管为非复合材料。A为1xxx纯铝,其他两种分别为AA3003的高频焊管和挤压管。三种复合扁管分别为以AA3003、 FA7805 和FA7872为芯材的复合扁管。表2为各种扁管的钎焊后强度、总厚度等物理参数。因为强度上的优势,复合管料,尤其是长寿命材料FA7872作为散热器扁管,较三种非复合管料可减薄20~40%。这种高强度合金的应用满足了市场对产品向轻型化发展的需求。

  各散热器的翅片化学成分如表3所示。翅片与扁管的搭配对抗腐蚀性能同样至关重要,在随后的实验中也可以看到不同搭配对散热器的外部抗腐蚀性能的影响。

2. 试验及结果

  为了比较评价这几种不同扁管及其组合的抗腐蚀性能,本文采用了实验室加速腐蚀实验:盐雾腐蚀实验、浸没实验和OY溶液腐蚀实验来评估不同扁管及其翅片搭配下的外部和内部抗腐蚀性能。

  2.1 外部腐蚀实验:

  a. 采用盐雾腐蚀实验(美国标准ASTM G85-2 A3 的加速大气腐蚀实验),对产品的钎焊侧抗腐蚀性能进行测试。这也是目前应用最广泛,同时也是对汽车热交换系统散热器实际使用相关度研究最多的实验室加速腐蚀实验。实验样件放置在盐雾实验箱ASCOTT(S1000xp)内,主体平面与垂直方向成15 o角。以pH为2.6~3.0,[Cl-]=0.56mol/L的模拟海水溶液为实验溶液,实验期间箱内温度为49±1 ℃ 恒温,半小时溶液喷淋和1个半小时停留交替进行,箱内相对湿度≥98%。暴露实验过程中,样件定期取出进行检漏,判断失效情况。

  盐雾腐蚀实验中各个散热器样品的穿孔失效时间如图1所示。三种非复合的1xxx纯铝和AA3003扁管组合的散热器的使用寿命不超过两天,复合扁管特别是长寿命材料FA7805和FA7872复合扁管组合在盐雾实验中的寿命超过40天。扁管材料的抗腐蚀性能至关重要。同时,翅片在腐蚀实验过程中对扁管的牺牲保护作用可以进一步延长散热器的使用寿命。

  如图2所示,非复合散热器扁管在三天的盐雾实验期间出现晶间腐蚀和小孔腐蚀,造成快速穿孔失效。而与非复合扁管焊接的翅片仅仅发生了轻微腐蚀,翅片未起到对扁管的牺牲保护作用。以AA3003为芯材的FA82A4复合扁管因搭配含锌较高的翅片,得到较高的牺牲保护作用,从而延长了其在盐雾实验中的寿命。

b. 浸没实验:扁管钎焊侧表面经过苛性钠溶液蚀刻去除部分复合层后,在[Cl-]=0.56 mol/L的腐蚀溶液中浸没。5小时浸没后取出,以浓硝酸处理样品表面,清洗并观察表面形貌和横截面显微形貌如图3所示。纯铝和3003的非复合及复合扁管均发生纵向深度点蚀,而两种长寿命复合管料却仅仅表现出在表层范围的横向腐蚀。这是因为长寿命材料在钎焊时,钎焊层与芯材之间形成的扩散沉淀带起到良好的牺牲保护作用。

2.2 内部腐蚀实验

  OY水溶液循环实验。以含有Cu2 ,Fe,Cl-,SO42-等离子,pH=3的盐溶液在扁管内部做定速循环流动,反应体系温度在88℃ 高温和室温间定时切换。实验中定期观察各个样品的腐蚀形貌,并实施检漏。如表4所示,复合扁管D,E和F都具备AA7072或FA6815合金的触水侧,这样的触水侧复合层因含有一定的锌合金元素而具有与芯材相比较低的电极电位,从而为芯材提供牺牲保护作用。三种复合扁管在24天的循环实验中均未发生穿孔失效。

3. 结论

  实验室加速腐蚀实验中,纯铝和AA3003的非复合材料因其钎焊侧和触水侧的不良性能导致部件在实验室加速腐蚀实验中过早穿孔失效。其在实际使用中将极易因腐蚀穿孔而失效,从而无法确保一年的寿命。同类材料不应在散热器中作为扁管使用。

  高强度长寿命复合材料FA7805 和FA7872(萨帕)作为散热器扁管,表现出优秀的抗腐蚀性,并为材料的进一步减薄与产品成本的持续降低提供可能。

  同时恰当的翅片搭配给予扁管牺牲腐蚀保护的作用,进一步延长散热器的使用寿命。