1 前言

    內回路是溫度控制設備的重要組成部分，其中的冷卻工質作為冷媒流經內回路上的各種換熱裝置，拾取和傳輸熱負荷，實現艙內大氣的溫濕度控制和設備的溫度控制。乙二醇溶液具有良好的散熱功能，是常見的低溫冷媒，在汽車發動機等領域應用較廣[1] 。

    內回路與冷卻工質的良好相容性是保證內回路實現功能的前提。冷卻工質對內回路的化學腐蝕，以及以冷卻液為媒介，內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。尤其是在內回路材料在冷卻液中存在應力腐蝕敏感性時，會加劇材料的腐蝕。尋找具有較強耐腐蝕性能的材料是解決內回路冷卻工質腐蝕的有效方法之一。

    鈦合金 TA2 材料具有很強的耐蝕性性能。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定的粘附性極強起防護作用的氧化膜。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] 。

    作為內回路材料，除考慮鈦合金TA2 本體優良的耐腐蝕性外，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中的應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力腐蝕敏感性[9] ，但是關于鈦合金在乙二醇溶液中的應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，在乙二醇冷卻工質的電偶腐蝕，以及 TA2 焊接試驗件的應力腐蝕敏感性，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

    采用電化學測試的方法來檢測電偶腐蝕的敏感性，電化學試驗采用美國PAR 公司生產的 VMP3 多通道電化學設備進行測試，電化學測試采用三電極系統，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，實驗進行1800s，電偶電流密度取 1800s 內的平均值。

    電偶對在電解液中產生電偶腐蝕的敏感性主要根據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 應力腐蝕測試方法

    采用慢應變速率拉伸實驗（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中的 SCC 行為。SSRT 在 WDML-30KN 微機控制慢應變速率拉伸實驗機上進行，拉伸應變速率為 0.33×10-7s-1，試驗溫度為 25℃。SSRT 試樣按照 GB/T15970 標準制作，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（溶液采用高純氮氣進行除氧）中進行 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） 對試樣斷口及側邊裂紋形貌進行觀察。

    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 結果與討論

    3.1 鈦合金TA2與內回路材料在冷卻工質中電偶腐蝕研究

    內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，考察鈦合金與內回路材料在乙二醇冷卻工質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中應力腐蝕敏感性研究

    應力腐蝕（SCC）是腐蝕和拉應力同時作用使金屬產生破裂的現象。鈦合金產生應力腐蝕是環境、應力和材料 3個因素共同作用的結果[9] 。應力包括在冷加工、鍛造、焊接、熱處理或裝配過程中產生的殘余應力以及工作時產生的外應力。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，利用慢應變速率拉伸實驗的方法，以空氣介質為參考，考察了鈦合金 TA2 及焊接件在冷卻工質中的應力腐蝕敏感性。

    圖 2 為 TA2 鈦合金基材及其焊接件在空氣、冷卻介質中的 SSRT 應力 - 應變曲線。表 2 為延伸率、斷面收縮率及其損失率的計算結果。可以看出，

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

    （2）TA2 鈦合金基材及其焊接件在冷卻工質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 焊接件的斷裂區域不在焊縫處，而在基材熱應力區，這些均表明，TA2 鈦合金及其焊接件在冷卻工質中的應力腐蝕敏感性很低。

圖3 TA2鈦合金焊接件拉伸結束后試樣

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

    由圖 4 和圖 5 可知，斷口都呈現顯著的頸縮現象，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中微觀斷口形貌都是韌窩形貌，拉伸斷口主要呈現各種小型韌窩斷口，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中應力腐蝕敏感性很低。

    4 結論與展望

    乙二醇冷卻工質面臨著與內回路的相容性問題問題，尋找與冷卻工質長期相容的內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中不具有應力腐蝕敏感性。TA2鈦合金可以作乙二醇冷卻內回路的潛在替代材料。

    參考文獻 :

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    [4] 王安安，樊愛民，龍晉民等 . 鈦合金腐蝕行為的研究 [J]，昆明工學院學報，1995,20（2）：75~80.

    [5] 張曉云 , 趙勝華 , 湯智慧等 . 表面處理對 TC21 鈦合金與鋁合金、鋼電偶腐蝕行為的影響 [J]. 材料工程 ,2006,（12）：40 -45.

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    [7] 山川 . 鈦合金的應力腐蝕開裂與腐蝕電化學研究 [D]. 中國海洋大學，2013.

    [8] 司衛華 . 鈦合金與鋼的電偶腐蝕行為研究 [J]，材料開發與應用，2013，34~38.

    [9] 吳蔭順，姜應律，褚洪等 . 鈦合金 TA7 在醇溶液的應力腐蝕敏感性 [J]，北京科技大學學報，2003,25（1）：40-43.