固液相互作用对AA4343/AA3xxx/AA4343多层铝板抗侵蚀性和耐腐蚀性的影响

《Vacuum》：Effect of solid-liquid interaction on erosion and corrosion resistance of AA4343/AA3xxx/AA4343 multi-layer aluminum sheets

1. 多层铝合金预应变水平（0%-10%）影响应变诱导液膜迁移（SILFM）与边界迁移（SIBM）竞争行为，高应变（≥8%）激活SIBM抑制SILFM，降低微电池腐蚀，而中等应变（4%）加剧SILFM引发局部腐蚀，识别出临界应变阈值指导抗蚀设计

　　
铝合金多层片在应变调控下的腐蚀行为与机理研究

摘要：
在汽车热交换器等高可靠性应用场景中，多层铝合金片的腐蚀控制已成为材料科学的重要课题。本研究通过系统探究预应变水平对多层Al-Si合金片腐蚀行为的影响机制，揭示了应变能调控在抑制局部腐蚀中的关键作用。实验采用多尺度表征手段，结合腐蚀性能测试，系统分析了不同应变条件下微结构演变与腐蚀行为的关联规律，建立了应变工程优化铝合金腐蚀性能的理论框架。

研究背景与意义：
随着新能源汽车和节能技术的快速发展，铝合金热交换器在乘用车空调系统中的用量呈现指数级增长。然而在高压、低温以及含氟环保制冷剂的环境中，多层铝合金片易因微结构缺陷引发局部腐蚀，严重威胁热交换系统的长期可靠性。当前研究多聚焦于固液相界面反应机制，但对应变能诱导的液膜迁移行为及其对腐蚀动力学的调控作用缺乏深入理解。本研究通过引入预应变参数，系统揭示了应变能驱动下的液膜迁移规律，为通过塑性变形工程提升铝合金腐蚀性能提供了新的理论依据。

材料与方法：
研究对象为AA4343/AA3xxx/AA4343三层复合板，总厚度0.27mm。采用真空熔炼工艺制备合金，确保Fe、Mn等杂质含量控制在最优范围（Si<0.15%、Fe<0.05%、Mn<0.1%）。通过设置0%、2%、4%、8%、10%五组预应变水平，系统研究不同应变能状态下液膜迁移与腐蚀行为的交互作用。表征手段包括：扫描电镜（SEM）观察表面腐蚀形貌，电子背散射衍射（EBSD）分析晶界迁移轨迹，透射电镜（TEM）观测亚微米级析出相分布，面扫型电感耦合等离子体质谱（GDOES）进行元素面分布定量分析。腐蚀性能评估采用盐雾试验（ASTM B117）结合电化学阻抗谱（EIS）测试，重点关注点蚀电位（EPT）和极化电阻（Rp）等关键参数。

微结构演变规律：
低应变组（0%-4%）表现出典型的液膜迁移特征。当预应变达2%-4%时，晶界迁移尚未充分启动，残余应变能驱动液膜向晶界富集，形成连续的液态富集带。这种液膜富集效应显著促进局部电偶腐蚀，在SEM图像中可见沿晶界分布的腐蚀坑（深度>50μm）。随着应变能提升（8%-10%），晶界迁移（SIBM）与液膜迁移（SILFM）呈现竞争关系。当应变能超过临界阈值（约8%预应变），SIBM优先启动并快速消耗储存的应变能，形成致密的晶界迁移区。该区域因元素再分配形成Al-Si金属间化合物屏障层，有效阻隔Cl?离子渗透，使腐蚀速率降低达3个数量级。

腐蚀行为调控机制：
实验发现存在显著的应变梯度效应。在低应变（0%-4%）条件下，液膜富集导致局部电位差达200mV以上，形成强烈的微电池腐蚀环境。而高应变（8%-10%）条件下，晶界迁移区与基体形成约5-8μm的梯度缓冲层，Al含量梯度分布使腐蚀电位差控制在50mV以内。通过GDOES深度剖析发现，在8%应变条件下，晶界迁移区Al元素面密度提升15%，同时Fe、Mn等腐蚀敏感元素在迁移前沿富集，形成元素梯度保护屏障。这种梯度分布使局部腐蚀的临界电流密度下降至1.2×10??A/cm2，远低于传统铝合金的3×10??A/cm2水平。

服务环境适应性分析：
在模拟实际工况（温度循环-40℃~150℃，含F-134a制冷剂）下，发现临界应变阈值（8%-10%）对应的合金片具有显著的环境适应性。其腐蚀穿透速率（0.12mm/年）较未处理样品降低4个数量级，同时保持优异的冷热循环稳定性（200次循环后尺寸变化<0.5%）。特别值得注意的是，当预应变超过10%时，晶界迁移形成的保护层厚度超过临界值（>15μm），但迁移不充分导致的残留液膜仍会引发局部腐蚀，这揭示了应变工程存在最佳优化区间。

工程应用价值：
研究成果为铝合金多层片设计提供了量化指导标准。建议采用8%-10%的预应变水平，此时晶界迁移完全消耗应变能储备，同时保持合理的晶界曲率（平均曲率半径15μm），形成最佳腐蚀防护屏障。该参数已通过5组不同厚度（0.15-0.35mm）的工程验证，均显示腐蚀速率下降超过90%。此外，研究揭示了液膜迁移与晶界迁移的竞争动力学，为预测不同工艺参数下的腐蚀风险提供了理论模型。

未来研究方向：
当前研究主要针对AA4343/AA3xxx体系，后续需拓展至其他工业铝合金体系（如6061/7075）。建议结合机器学习建立多参数协同优化模型，重点探索应变梯度分布、晶界曲率与腐蚀防护性能的定量关系。此外，针对极端工况（如-70℃快速冷却）下的液膜稳定性和晶界迁移动力学仍需深入研究。

结论：
本研究通过多尺度表征和腐蚀性能测试，首次系统揭示了应变能调控下液膜迁移与晶界迁移的竞争机制。发现当预应变达到8%-10%时，晶界迁移完全抑制液膜富集，形成具有梯度元素分布和优异抗蚀性的保护层。该成果为铝合金热交换器的抗蚀设计提供了关键参数（临界应变阈值8%-10%，最佳晶界曲率15μm），对提升汽车工业铝合金部件的可靠性具有重要指导意义。