機(jī)載電子系統(tǒng)鋁合金冷板-冷卻液腐蝕性研究

王英芹，何衛(wèi)平

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機(jī)載電子系統(tǒng)鋁合金冷板-冷卻液腐蝕性研究

王英芹，何衛(wèi)平

（結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

目的 可靠表征機(jī)載電子設(shè)備液冷系統(tǒng)中鋁合金冷板在其使用環(huán)境下（冷卻液介質(zhì)中）腐蝕程度與時(shí)間的關(guān)系，為確定其使用壽命及對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)與控制提供技術(shù)支持。方法 根據(jù)飛機(jī)液冷系統(tǒng)冷板的服役環(huán)境特點(diǎn)，開展鋁合金冷板冷卻液恒溫浸泡試驗(yàn)和冷卻液恒溫沖刷試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)件宏觀和微觀狀況，采用最大蝕坑深度值的變化進(jìn)行腐蝕程度的量化表征。結(jié)果 恒溫浸泡試驗(yàn)120天，試驗(yàn)件宏觀和微觀腐蝕形貌，以及蝕坑深度均無明顯變化；沖刷試驗(yàn)320 h，試驗(yàn)件宏觀腐蝕形貌無變化，微觀腐蝕形貌輕微加重，蝕坑深度平穩(wěn)增加。結(jié)論 浸泡和沖刷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，高速?zèng)_刷的冷卻液因雜質(zhì)累積、成分揮發(fā)等導(dǎo)致性能變化，加速鋁合金冷板的腐蝕。

冷卻液；沖刷；蝕坑深度

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能指標(biāo)的越來越高，機(jī)載電子設(shè)備的集成度也越來越高，電子設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性很大程度上取決于其環(huán)境條件。環(huán)境溫度的升高和波動(dòng)，以及水合沙塵的進(jìn)入都會(huì)使設(shè)備的可靠性降低[1—2]。為保證機(jī)載電子設(shè)備的“五性”（可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性）要求，選擇合適的散熱方式十分重要[3]。飛機(jī)的液冷系統(tǒng)可以解決大功率、高熱流密度機(jī)載電子系統(tǒng)的散熱問題[4]，能改善電子設(shè)備組件可靠性，減少維護(hù)費(fèi)用[5—6]。液冷技術(shù)比空氣冷卻效率高出100~2000倍，在眾多的液冷方式中，微通道液冷冷板的換熱性能好，散熱能力最強(qiáng)[7]。液冷冷板中的冷卻液由水、防凍劑、添加劑三組分組成[8]。65號(hào)乙二醇型冷卻液是用乙二醇作為防凍劑，并添加少量抗泡沫、防腐蝕等綜合添加劑配置而成[8]。這種冷卻液具有沸點(diǎn)高、泡沫傾向低、降溫性能好、防腐和防垢等特點(diǎn)，是一種較為理想的冷卻液[8—9]。然而，65號(hào)冷卻液中雖然添加了緩蝕劑呈弱堿性，但在使用過程中會(huì)不斷酸化，酸化后將會(huì)對(duì)鋁合金冷板有很強(qiáng)的腐蝕性[10]。

某型飛機(jī)機(jī)載電子任務(wù)艙系統(tǒng)液冷部分中的鋁合金冷板為薄壁機(jī)加零件，通過焊接方法將冷板的槽板和蓋板焊接而成，然而槽板和蓋板的接觸面不可能完全焊合，必定留有一定縫隙。鋁合金冷板實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后，易發(fā)生均勻腐蝕（點(diǎn)蝕）和磨蝕。若點(diǎn)蝕嚴(yán)重還將導(dǎo)致冷卻液的滲漏。因此，研究鋁合金冷板在冷卻液介質(zhì)腐蝕環(huán)境下的腐蝕特性為確定其使用壽命及對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)與控制有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為某型飛機(jī)機(jī)載電子任務(wù)艙系統(tǒng)液冷部分中的冷板模擬件，材料為鋁合金6061，無表面防護(hù)，因微通道的加工限制，試件表面劃痕較多。試驗(yàn)介質(zhì)為65號(hào)冷卻液。冷板分為槽板和蓋板，本試驗(yàn)內(nèi)容僅針對(duì)槽板。冷板試驗(yàn)件完全模擬實(shí)際液冷冷板的內(nèi)部微通道，試驗(yàn)件尺寸為190 mm×100 mm× 20 mm，微通道深度為2 mm，最窄通道間隙1.5 mm，具體結(jié)構(gòu)如1所示。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中冷板在冷卻液中的腐蝕損傷特點(diǎn)，分別開展下面兩項(xiàng)試驗(yàn)：鋁合金冷板冷卻液恒溫全浸試驗(yàn)，用于模擬機(jī)載設(shè)備關(guān)閉工況；鋁合金冷板冷卻液沖刷試驗(yàn)，用于模擬機(jī)載設(shè)備運(yùn)行工況。試樣詳情見表1。

表1 試樣詳情

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用恒溫水浴箱進(jìn)行冷板冷卻液恒溫浸泡試驗(yàn)。采用恒溫水浴箱和水泵進(jìn)行冷板冷卻液沖刷試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件清洗及初始性能檢測(cè)

試驗(yàn)件在試驗(yàn)前必須按噴水沖洗—丙酮擦洗—水浸洗—干燥的流程充分清洗，不得使用侵蝕試件的磨料或溶劑以除掉油污、塵垢、油脂等。清洗后的試驗(yàn)件在恒溫干燥箱中烘干或者在室溫下采用穩(wěn)定風(fēng)速吹干，放在干燥器皿中短期保存（避免造成二次污染），等待檢驗(yàn)及試驗(yàn)。試驗(yàn)件清洗后及整個(gè)試驗(yàn)過程中，不允許用手直接觸摸。

試驗(yàn)件清洗完成后進(jìn)行初始性能檢測(cè)，記錄檢測(cè)結(jié)果。初始性能檢測(cè)項(xiàng)目見表2。

表2 初始性能檢測(cè)內(nèi)容

1.3.2 恒溫全浸試驗(yàn)

鋁合金冷板清洗及初始性能檢測(cè)完成后，完全浸入恒溫水浴箱中的冷卻液中，開始恒溫全浸試驗(yàn)，冷卻液溫度為（65±2）℃。每隔一段時(shí)間將鋁合金冷板從水浴箱內(nèi)取出，在室溫環(huán)境下自然干燥或熱風(fēng)吹干后，按初始性能檢測(cè)項(xiàng)目檢查試件腐蝕情況，并對(duì)可量化的表征量（如腐蝕坑深度）測(cè)試、采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確記錄，然后將冷板放入水浴箱內(nèi)繼續(xù)試驗(yàn)。及時(shí)添加冷卻液，保證試件完全浸入冷卻液中。試驗(yàn)周期為120天。

1.3.3 沖刷試驗(yàn)

鋁合金冷板清洗及初始性能檢測(cè)完成后，置于恒溫水浴箱內(nèi)冷卻液上方，冷卻液恒溫（65±2）℃。采用水泵抽取冷卻液循環(huán)沖刷鋁合金冷板，沖刷速度為30 L/min，平角沖刷，如圖2所示。每隔一段時(shí)間將鋁合金冷板從水浴箱內(nèi)取出，在室溫環(huán)境下自然干燥或熱風(fēng)吹干后，按初始性能檢測(cè)項(xiàng)目檢查，并對(duì)可量化的表征量（如腐蝕坑深度）測(cè)試、采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確記錄，然后置于水浴箱上繼續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為320 h。及時(shí)添加冷卻液，保證水泵的進(jìn)水管完全浸入冷卻液中。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣質(zhì)量變化情況

對(duì)全浸試件和沖刷試件進(jìn)行了質(zhì)量跟蹤測(cè)量，結(jié)果顯示，兩件試驗(yàn)件試驗(yàn)前后質(zhì)量均無變化。

2.2 目視檢測(cè)

試件取出干燥后進(jìn)行了目視檢查，發(fā)現(xiàn)試件在色澤、光澤、點(diǎn)蝕、剝蝕、開裂、劃痕方面均無明顯變化，試件試驗(yàn)前后情況對(duì)比如圖3和圖4所示。試驗(yàn)后試件表面因冷卻液中污物沉積而模糊。

圖4 沖刷試驗(yàn)前后試樣情況對(duì)比

2.3 腐蝕形貌

對(duì)試驗(yàn)件考核區(qū)域的微觀腐蝕形貌進(jìn)行了檢測(cè)。每件試樣共8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，下面選出檢測(cè)點(diǎn)中典型微觀形貌進(jìn)行具體分析。

1）恒溫全浸試驗(yàn)件檢測(cè)點(diǎn)c：如圖5所示，圖5a為初始微觀形貌，可以觀察到有一顯著加工刮痕，刮痕周圍存在大量劃痕及點(diǎn)蝕，這些均為加工粗糙所致，可定義為原始腐蝕源。經(jīng)歷120天、（65±2）℃恒溫冷卻液浸泡后（見圖5d），刮痕、劃痕及點(diǎn)蝕大小、形貌、數(shù)量均無明顯變化。根據(jù)此現(xiàn)象分析，原因可能是冷卻液短時(shí)間內(nèi)對(duì)鋁合金材料的無腐蝕作用或腐蝕作用甚微。因?yàn)槔鋮s液本身有防腐作用，使用周期較長(zhǎng)，長(zhǎng)期使用pH值才會(huì)發(fā)生變化。

2）沖刷試驗(yàn)件檢測(cè)點(diǎn)2：如圖6所示，圖6a為初始微觀形貌，可以觀察到試樣表面存在很多點(diǎn)蝕、多條微裂紋及加工劃痕等組成的原始腐蝕源。試驗(yàn)件經(jīng)歷（65±2）℃冷卻液320 h的沖刷腐蝕后，由圖6中長(zhǎng)方形區(qū)域?qū)Ρ扔^察發(fā)現(xiàn)，裂紋寬度明顯變深；橢圓區(qū)域?qū)Ρ扔^察發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)蝕數(shù)量及面積在以略微明顯的趨勢(shì)增加。造成此現(xiàn)象的原因分析如下，冷卻液經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)沖刷后，里面富含各種從試驗(yàn)件表面微切削下的微小顆?；蚍鬯樾噪s質(zhì)，這些顆粒和雜質(zhì)又充當(dāng)切削工具，在沖刷作用下進(jìn)一步進(jìn)行微切削，將新鮮的金屬表面完全暴露在流動(dòng)的冷卻液介質(zhì)中，從而加速了沖蝕作用[11—12]。鑒于恒溫浸泡試驗(yàn)微觀形貌的結(jié)果特點(diǎn)得出，沖刷試驗(yàn)件的損傷以磨損占主導(dǎo)地位，冷卻液的腐蝕為輔。

2.4 蝕坑深度

通過對(duì)試驗(yàn)件考核區(qū)域微觀腐蝕形貌的蝕坑進(jìn)行深度測(cè)量，分別記錄每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的最大蝕坑深度，取平均值后繪制出試驗(yàn)件的平均蝕坑深度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況，如圖7所示。

由圖7a可以看出，恒溫全浸試驗(yàn)后，試驗(yàn)件檢測(cè)點(diǎn)平均蝕坑深度雖有波動(dòng)（20天時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常偏高，可評(píng)定為異常數(shù)據(jù)不予考慮），但基本都在29 μm上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅度不大，無明顯升高趨勢(shì)。從圖7b可以看出，冷卻液沖刷試驗(yàn)后試驗(yàn)件檢測(cè)點(diǎn)平均蝕坑深度有輕微升高趨勢(shì)，從初期26.5 μm上下波動(dòng)，平緩升至29.5 μm后上下波動(dòng)。

a 恒溫全浸試驗(yàn)

b 沖刷試驗(yàn)

圖7 試件平均蝕坑深度

通過上述分析得出，恒溫全浸試驗(yàn)件蝕坑深度無明顯變化，沖刷試驗(yàn)件蝕坑深度平穩(wěn)緩慢增加，這與腐蝕形貌的分析結(jié)果相一致。

2.5 冷卻液

由于試驗(yàn)用恒溫水浴箱無法做到完全密封，試驗(yàn)過程中冷卻液揮發(fā)較快，需要及時(shí)添加至所需量。試驗(yàn)前后對(duì)冷卻液的外觀進(jìn)行了目視觀察，發(fā)現(xiàn)冷卻液由橙黃色均勻透明無雜質(zhì)液體，變?yōu)辄S褐色半透明有雜質(zhì)的液體（有懸浮物），浸泡試驗(yàn)的恒溫水浴箱底部有輕微的沉淀物。試驗(yàn)中冷卻液循環(huán)使用，其中水、乙二醇等成分較易揮發(fā)，其他不宜揮發(fā)成分及沖刷微切削產(chǎn)生的固體粒子卻得到了累積，造成冷卻液的性能發(fā)生變化，并且沖刷磨損的固體粒子增多，這樣的冷卻液將促進(jìn)試驗(yàn)件加速腐蝕和磨損。

3 結(jié)論

針對(duì)某型飛機(jī)機(jī)載電子任務(wù)艙系統(tǒng)液冷部分中的冷板腐蝕情況，進(jìn)行了冷板模擬試驗(yàn)件冷卻液的恒溫浸泡和恒溫沖刷試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每件試驗(yàn)件規(guī)定了8個(gè)固定檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)件的質(zhì)量、宏觀腐蝕情況、微觀腐蝕形貌和平均蝕坑深度等進(jìn)行了跟蹤記錄、分析。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比及分析得出如下結(jié)論。

1）試驗(yàn)件經(jīng)冷卻液恒溫全浸試驗(yàn)后，質(zhì)量、宏觀腐蝕情況無變化，微觀腐蝕形貌和平均蝕坑深度無明顯變化。

2）試驗(yàn)件經(jīng)冷卻液恒溫沖刷試驗(yàn)后，質(zhì)量、宏觀腐蝕情況無變化，微觀腐蝕形貌和平均蝕坑深度顯示冷板的腐蝕程度在平穩(wěn)緩慢加重。

3）對(duì)比恒溫全浸試驗(yàn)和恒溫沖刷試驗(yàn)結(jié)果得出，高速?zèng)_刷的冷卻液因雜質(zhì)累積、成分揮發(fā)等更具腐蝕性，以磨損為主、腐蝕為輔，加速對(duì)鋁合金冷板的腐蝕磨損。

綜上所述，機(jī)載設(shè)備關(guān)閉工況下，65號(hào)冷卻液對(duì)鋁合金冷板的腐蝕作用不強(qiáng)。當(dāng)機(jī)載設(shè)備運(yùn)行、冷卻液在液冷系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)其中累積的微切削下的固體粒子等充當(dāng)切削工具，加速對(duì)冷板的沖刷腐蝕作用。因此建議從在液冷循環(huán)系統(tǒng)中增加過濾裝置減少雜質(zhì)和定期清洗液冷系統(tǒng)并更換全部冷卻液兩方面來提高冷板的防腐蝕性能，延長(zhǎng)冷板的使用壽命。

[1] 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì). 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第15冊(cè)生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1999.

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Corrosion Resistance of Aluminum Alloy Cold Plate- Cooling Liquid in Airborne Electronic System

WANG Ying-qin, HE Wei-ping

(Key Laboratory of corrosion protection and control of aviation technology, Jingmen 448035, China)

Objective To reflect the relationship between the corrosion degree and the time of the aluminum alloy cold plate which is used in the cooling system of airborne electronic equipment reliably and provide technical support for the corrosion prevention and control for determination of the service life. Methods Constant temperature immersion test and scour test of aluminium alloy cold plate in constant temperature coolant according to the service environment characteristics of cold plate in the aircraft liquid cooling system to observe macro and micro morphology of specimen. Change of maximum pit depth was adopted to complete quantitative characterization of corrosion degree. Results After immersion experiment at constant temperature for 120 days, there was no significant change observed on macro and micro corrosion morphology as well as pit depth; after scour experiment for 320 hours, the macroscopic corrosion morphology had no change, the micro morphology of corrosion slightly increased, the corrosion pit depth increased steadily. Conclusion Based on comparison of the results of immersion and scouring tests, high speed flush coolant accelerates the corrosion of aluminum alloy plate by impurities accumulated and volatile component performance change.

coolant; erosion; corrosion pit depth

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.009

TJ07; TG174

A

1672-9242(2017)03-0047-05

2016-09-11；

2016-10-09

王英芹（1984—），女，湖北荊門人，碩士，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐蝕細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。