中国腐蚀与防护学报, 2024, 44(4): 993-1000 DOI: 10.11902/1005.4537.2023.243

轻质合金腐蚀与防护专栏

铝合金微通道换热器的腐蚀防护现状与进展

何佳璇1, 张羽彤1, 管旭东1, 唐建华2, 黄海2, 赵旭辉,1, 唐聿明,1, 左禹1

1.北京化工大学 碳纤维及功能高分子教育部重点实验室 北京 100029

2.浙江三花智能控制股份有限公司 杭州 310018

Present Status and Progress of Corrosion Protection for Microchannel Heat Exchangers of Al-alloy

HE Jiaxuan1, ZHANG Yutong1, GUAN Xudong1, TANG Jianhua2, HUANG Hai2, ZHAO Xuhui,1, TANG Yuming,1, ZUO Yu1

1. Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymer, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

2. Zhejiang Sanhua Intelligent Controls Co., Ltd., Hangzhou 310018, China

通讯作者: 赵旭辉,E-mail:xhzhao@mail.buct.edu.cn,研究方向为金属腐蚀电化学与表面保护技术;唐聿明,E-mail:tangym@mail.buct.edu.cn,研究方向为金属的腐蚀与防护、涂层失效及电化学评价

收稿日期: 2023-08-08   修回日期: 2023-09-17  

Corresponding authors: ZHAO Xuhui, E-mail:xhzhao@mail.buct.edu.cn;TANG Yuming, E-mail:tangym@mail.buct.edu.cn

Received: 2023-08-08   Revised: 2023-09-17  

作者简介 About authors

何佳璇,女,1999年生,硕士生

摘要

介绍了微通道换热器中存在的腐蚀问题,概述了包括冷却剂、合金相间电位差、大气污染物等腐蚀诱因和机理,并总结了缓蚀剂添加和基材表面处理等腐蚀控制手段;阐述了诸如化学镀、阳极氧化、化学转化、溶胶-凝胶处理等3003铝合金基材的表面防护技术,为耐蚀铝合金微通道换热器的开发和生产提供参考。

关键词: 微通道换热器 ; 3003铝合金 ; 耐蚀性 ; 表面处理

Abstract

Microchannel heat exchangers of Al-alloy are the important component for air conditioner, of which the primary material is 3003 Al-alloy. In practical applications, the Al-alloy is suffered from corrosion and then results in the heat exchanger failure. This paper firstly introduces the corrosion problems existing in microchannel heat exchangers, then reviews the corrosion causes and influencing factors, such as coolants, micro-galvanic corrosion of the alloy and air pollutants etc., and summarizes corrosion control methods such as inhibitors and surface treatments. Finally elaborates some surface treatment techniques developed for 3003 Al-alloy, including electroless plating, anodizing, chemical conversion, sol-gel treatment etc., which probably provide references for the development and production of corrosion-resistant microchannel heat exchangers of 3003 Al-alloy.

Keywords: microchannel heat exchangers ; 3003 Al-Alloy ; corrosion resistance ; surface treatment

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何佳璇, 张羽彤, 管旭东, 唐建华, 黄海, 赵旭辉, 唐聿明, 左禹. 铝合金微通道换热器的腐蚀防护现状与进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2024, 44(4): 993-1000 DOI:10.11902/1005.4537.2023.243

HE Jiaxuan, ZHANG Yutong, GUAN Xudong, TANG Jianhua, HUANG Hai, ZHAO Xuhui, TANG Yuming, ZUO Yu. Present Status and Progress of Corrosion Protection for Microchannel Heat Exchangers of Al-alloy. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2024, 44(4): 993-1000 DOI:10.11902/1005.4537.2023.243

制造工艺的迅速迭代以及日益庞大的消费群体,为微通道换热器创造了充分的生产条件和市场需求,从而促使其在家用、商用空调零部件中成为重要一环。在制冷空调领域,相较于传统的管式翅片换热器,采用全铝结构的微通道换热器在力学性能、耐腐蚀、换热效率以及运行成本等各项性能指标均具有明显优势[1,2]。然而,在铝合金微通道换热器使用过程中,逐渐暴露出由于服役环境、制冷剂性质、微通道结构及铝合金材料缺陷等引发的腐蚀问题[3]。尽管铝合金微通道换热器的选材多为耐蚀性能较强的3003铝合金,但仍不能彻底规避因腐蚀而带来的换热器失效的事故风险[4]

对3003铝合金微通道换热器腐蚀机理的分析和腐蚀控制的研究有助于解决现存问题并推出下一代产品。因此,本文综述了铝合金微通道换热器的腐蚀机理、影响因素以及现有的表面防护技术,以期为科研和生产工作者提供参考。

1 铝合金微通道换热器介绍

早在20世纪80年代,Tuckerman和Pease[5]在硅芯片背面刻蚀了微矩形通道,得到了微细通道换热器,这种换热器的热流密度可达790 W/cm2,该成果推动了对微细通道的研究。铝合金微通道换热器的发展,促进了空调行业的改革。现今,日本汽车空调制造商如电装(Denso)、三电(Sanden)和我国的三花、盾安等龙头企业都批量生产全铝微通道换热器[6]

微通道通常指直径在0.001~1 mm之间的通道。微通道换热器主要由3个部分通过焊接加工组成:(1)多条并联的含多个平行小孔的扁管(Micro-channel flat tube),(2)扁管之间铝带折叠成型的翅片(Fin),(3)连接扁管进、出口端的集管(Collecting tube),制冷剂通过集管流入扁管中,其结构如图1所示。微通道扁管主要材质为1xxx系或3xxx系单一铝合金(如AA1100、AA1050或AA3102),翅片和集管材质一般为3xxx系和4xxx系铝合金复合钎焊板,通常是AA3003作为芯材,表面包覆AA4343作为钎料合金[3,7,8]

图1

图1   微通道换热器的结构简图

Fig.1   Structural diagram of microchannel heat exchanger


3xxx系铝合金具有重量轻、塑性好、焊接性能优良、导电导热性好等优点,其强度比1xxx系铝合金高,且耐蚀性与1xxx系铝合金相近,是一种耐腐蚀性能良好的中等强度铝合金[9],广泛应用于建筑、炊具、饮料罐体、化工设备、压力和热熔器等领域,主要合金牌号有AA3003、AA3102[8]。其中,AA3003是应用最广的一种防锈铝,主要合金成分包括Mn、Fe、Si、Cu及Zn。3003铝合金合金成分中含有较高的Cu,能够延长材料的使用寿命。但是在钎焊过程中,Cu会出现扩散现象,晶界析出θ(CuAl2)相、S(CuMgAl2)相及少量MnAl6等第二相,使得晶界周围出现贫Cu区,导致铝合金的晶间腐蚀敏感性增加,因此容易发生晶间腐蚀以及孔蚀[10]

尽管现有微通道换热器的生产制造工艺有了很大的提高,但在技术、性能、成本及可靠性等方面仍然存在一些问题。微通道换热器的结霜、除霜和再冻问题、制冷剂在微通道换热器中的不均匀分布、钎焊过程在系统中残留下的可溶性残留物以及换热器长期使用导致的积灰现象[3,11,12],这些情况或是单独作用,或是相互结合,都会引发腐蚀问题。微通道换热器中主要易发生腐蚀的部位有:集管的焊缝处、集管与扁管连接处、扁管与翅片连接处以及制冷剂进口附近[13~15]。刘志孝等[13]对微通道换热器进行了腐蚀试验,图2为微通道换热器在中性盐雾试验1250 h后的腐蚀照片,由于翅片、钎料与扁管之间存在电位差,电位较低的翅片和钎料作为阳极牺牲材料,导致翅片腐蚀脱落。Zhang等[14]通过观察腐蚀失效的微通道换热器,表明腐蚀导致集管在焊缝处发生开裂,并且腐蚀产物堵塞扁管口。铝合金腐蚀造成换热器失效的原因主要包括两个方面:一是,腐蚀产物会覆盖在管道表面,增大热阻与空气流通阻力,降低了换热性能;二是,腐蚀形成的蚀坑可能引起制冷剂泄漏,从而导致换热器失效。

图2

图2   微通道换热器经1250 h中性盐雾后的翅片腐蚀脱落的照片[13]

Fig.2   Photograph of fin corrosion of micro-channel heat exchanger after 1250 h of salt spray[13]


2 铝合金微通道换热器中所存在的腐蚀问题

微通道换热器的腐蚀主要包括内部腐蚀(扁管内部)和外部腐蚀两部分。扁管主要由单一铝合金材料经高温挤压成型,管内的流动液体为冷却剂,通常为乙二醇-水溶液;内部腐蚀的影响因素包括溶液温度、压力、含氧量、Cl-以及杂质阳离子[14,16~18]。铝合金在pH 4~9的大气或水溶液中会迅速钝化,表面形成一层致密且稳定的薄膜,抑制其进一步发生腐蚀。然而,当介质中存在破坏性阴离子(如Cl-、F-)、O2或其他促进阴极反应的氧化物(如H+等),钝化膜容易遭受局部破坏。乙二醇的吸附能降低界面电容,从而降低铝合金的腐蚀速率;但在冷却剂使用过程中,乙二醇也会逐渐酸化生成乙二醇醛和乙醇酸等,从而降低冷却剂的pH值,最终导致铝合金电化学腐蚀[19,20]。为了解决冷却剂中的杂质造成的腐蚀问题,可以在乙二醇-水溶液中添加腐蚀抑制剂,包括无机添加剂[18,21,22],如氧阴离子HPO42-、MoO42-和阳离子Ce3+、Ce4+、Li+、Mg2+等,有机添加剂[23~25],如炔丙醇、酒石酸盐、半胱氨酸、葡萄糖酸盐和肉桂酸盐等。然而,含缓蚀剂的冷却液成本较高,尚未推广采用。

微通道换热器的外部腐蚀包括扁管外表面、翅片的腐蚀以及二者之间相互的电化学作用。微通道换热器的使用环境很苛刻,包括雨水、路面挥发的盐份、沙粒、灰尘和大气中的其他污染物等。此外,污染环境中的SO2和NO2等酸性气体,受到水分、臭氧和过氧化氢等污染物的催化,也会与铝合金发生反应在其表面形成腐蚀产物(常见的如硫酸铝),会导致自催化反应造成腐蚀加速[26]

相比于均匀腐蚀,微通道换热器中的铝合金更容易发生局部腐蚀,主要包括点蚀、晶间腐蚀和电偶腐蚀等[27,28]。铝合金耐点蚀能力主要与介质中的阴离子半径相关。阴离子半径越小,穿透氧化膜的能力越强,氧化膜破坏越严重,腐蚀越严重。通常散热器的工作环境中存在大量半径较小的Cl-,容易穿透铝表面的氧化膜,从而形成点蚀。除了外界腐蚀环境,翅片与扁管之间的相互电化学作用,也可能引起腐蚀。如图3所示,翅片与扁管之间的接触往往造成电偶腐蚀。在扁管内部还容易发生晶间腐蚀,如图4所示,腐蚀从晶界向外扩展[15]。Scott等[29]根据现场回收的散热管腐蚀样本进行腐蚀形态特征分析,得出真空钎焊散热器中3003铝合金扁管的腐蚀过程分为3个阶段:(1)在空气侧表面的残余钎焊包层(Al-Si-Mg合金)发生晶间断裂,表面晶粒间的叶片状共晶硅作为局部阴极。(2)晶间腐蚀在残余熔覆层与熔芯的界面区域继续发展。这个区域大致为到达扁管厚度的三分之一(0.1 mm),与钎焊过程中硅向管芯的扩散深度有关。(3)管芯的其它部分发生点蚀和晶间腐蚀的混合腐蚀。

图3

图3   扁管与翅片之间的电化学作用示意图

Fig.3   Schematic diagram of electrochemical actions between flat tube and fin


图4

图4   铝管截面的晶间腐蚀[24]

Fig.4   Intercrystalline corrosion of aluminum tube cross-section[24]


换热器的腐蚀故障屡见不鲜,除了存在潜在的安全隐患、健康威胁和昂贵的维修费用以外,还往往涉及资源浪费和环境污染等不良后果。因此,腐蚀预防和控制问题亟待解决。为了提高微通道换热器的耐蚀性,可以从以下3个方面考虑:选择耐蚀材料、改善介质环境(包括添加缓蚀剂)与表面处理。

3 微通道换热器的腐蚀控制

正如前述,微通道换热器的腐蚀主要包括内部腐蚀(扁管内部)和外部腐蚀。对于内部腐蚀,在冷却液中添加缓蚀剂,由于成本较高,尚未推广采用。而微通道换热器的外部腐蚀,因为换热器通常都直接暴露在空气中,通过改变环境来控制微通道换热器的外腐蚀几乎不可能,因此一般采用选择合适的耐蚀材料以及表面保护技术作为其主要腐蚀控制手段。

目前最常用的防腐蚀手段是扁管表面覆盖一层电位更低的金属材料,如喷涂锌或含锌化合物[30],使管道内部表面为阴极,通过牺牲阳极的阴极保护方法达到控制腐蚀的目的。但是,钎焊时翅片表面钎料的流动会促使锌向焊接部位聚集,腐蚀一段时间后,焊接部位会先于翅片本身而被破坏,最终导致翅片脱落。采用表面喷硅可避免焊接后的溶蚀现象,韦伟等[31]通过比较表面喷锌和表面喷硅扁管的微通道换热器的换热能力、空气侧压降和热阻等特性,发现喷硅扁管换热器样件经腐蚀后的各项性能均优于采用表面喷锌扁管的样件。

目前,除了表面喷涂之外,铝合金微通道换热器表面防腐处理的相关研究不多。有文献报道了在铝管内表面制备阳极氧化铝膜层的研究。Hymel等[32]以草酸作为电解液,对微通道换热器的集管内表面和微通道扁管进行脉冲电流阳极氧化,由于采用的是脉冲电流的形式,在氧化过程中集管和扁管内消耗的溶液离子可以得到补充,形成厚度均匀的阳极氧化膜;阳极氧化后采用沸水封闭的方法对膜层中的纳米孔洞进行封孔处理。对阳极氧化后的集管切片进行极化曲线测试,结果显示,在NaCl溶液中的阳腐蚀电流可降低一个数量级。初步的试验表明该工艺在结构简单的集管中有一定的可行性,但在结构复杂的微通道扁管中,膜层的耐蚀性能难以评价。

针对微通道换热器容易发生结霜的问题,有学者研制亲水或疏水涂层以延长换热器的融霜周期[33],或者沉积TiO2薄膜以提高换热器的传热系数[34]。但这些涂层的附着力、质量、厚度和力学性能等还需要进一步研究。

加速腐蚀测试是用于考察换热器防腐蚀性能的必要手段之一,其目的是将长达几年的实际使用时间压缩成数小时或数天的测试时间,从而以更合适的速度筛选出高性能材料。选择的加速测试要尽可能模拟真实腐蚀机制。海水醋酸腐蚀试验,即SWAAT腐蚀试验(符合标准ASTM G85),是以一种用合成海盐代替传统的氯化钠的腐蚀试验,其pH值用冰醋酸来调节。SWAAT腐蚀试验最初是为了在5456铝合金海水舱中发现剥落腐蚀,后来该试验在剥蚀敏感性测试和其他需要严重腐蚀环境的应用中得到了更广泛的应用,目前较广泛地应用于换热器中Al-Mn合金钎焊板的耐蚀性测试中[29,35]。Scott等[29]对换热器中的3005和3003铝合金管进行五种ASTM试验模拟换热器腐蚀情况,包括SWAAT试验、中性盐雾(NSS)试验、醋酸盐雾(ACSS)试验、铜盐加速醋酸盐雾(CASS)试验和NaCl交替浸渍法,对比发现SWAAT试验结果与现场换热器中铝合金的腐蚀情况非常相似。因此,SWAAT腐蚀试验对微通道换热器的耐蚀性考察具有重要价值。

微通道换热器紧凑的结构和严格的性能要求,以及腐蚀原因错综复杂,给技术突破带来了挑战,目前在微通道换热器铝合金表面制备防腐涂层的研究成果不多。下面针对3003铝合金的表面防护技术研究进行总结,希望可以为微通道换热器的腐蚀控制提供一定的思路。

4 3003 铝合金的表面防护技术

目前应用于3003铝合金表面防腐膜层的制备工艺主要有化学镀、阳极氧化处理、化学转化处理、溶胶-凝胶涂层处理以及纳米复合涂料技术等。制备的膜层需要综合考虑膜层与基底的附着力、膜层致密度和均匀性、力学性能以及使用寿命等。

4.1 化学镀

化学镀是指在无外加电流的情况下,借助合适的还原剂,将镀液中的金属离子还原成金属,并沉积到零件表面形成致密镀层的一种表面处理技术。化学镀适用于形状和尺寸复杂的基材,具有膜层厚度均匀、操作简单安全、无需电气操作和维护等优点。3003铝合金表面的化学镀膜层有Ni-P膜层[36~38]和锡膜层[39]等。由于Al在溶液中表面极易生成氧化膜,阻碍形成金属键,为了提高3003铝合金表面膜层的附着力和耐蚀性,有学者尝试在Ni-P膜层前增加中间层,包括化学沉积Cu[36]和等离子喷涂Ce[37]。杜轶君等[39]研究表明在3003铝合金表面镀锡膜前进行软熔处理,使一部分锡与基体反应形成固溶体,能够提高镀层的结合力,同时降低膜层的孔隙率。然而,化学镀在使用过程中,一些有害金属离子的排放可能会造成环境污染;同时,镀层的质量受到基材表面形貌和处理条件的影响,难以提供良好的耐磨性,镀层在强酸、强碱或高温环境中不具备足够的耐蚀性[37]

4.2 阳极氧化处理

阳极氧化处理是指在电解质溶液中,在外加电流的作用下,将试件作为阳极,在其表面形成氧化膜的过程。阳极氧化膜具有双层结构,包括较薄的阻挡内层和较厚的多孔外层。阳极氧化是获得高耐蚀性转化膜最常用的表面处理方法,膜层的化学稳定好,还具有耐磨、耐高温性能以及膜厚调整范围广、工艺简单等优点,在铝合金表面处理中是应用最广最成功的技术[40,41]。阳极氧化对预处理工艺、氧化过程和后处理工艺均需要严格控制。张丽等[42]在温度为0º的硫酸中对3003铝合金进行低温硬质阳极氧化并进行封孔处理,得到平整、均匀、致密的氧化膜,该膜层在1 mol/L NaCl溶液中的耐蚀性得到了较大的提升。传统的阳极氧化技术通常采用直流电的形式,很难处理结构复杂的铝合金设备。如前面文献[32]中的报道所示,对具有复杂结构的微通道换热器,可以尝试采用脉冲电流阳极氧化的方式,对集管或扁管内的溶液进行及时补充,当然该方法还属于尝试阶段,膜层的性能还需要针对微通道换热器的使用环境进一步测试,判断该技术的可行性。目前,阳极氧化处理大部分使用酸液作为电解液,如何在安全环保的前提下减少废液排放的问题仍待解决。

4.3 化学转化处理

化学转化处理是指通过喷涂、刷镀或浸渍等方式,使金属表面与处理液充分接触,经过一系列化学反应,最终在金属表面形成一层难溶金属盐的表面处理技术,多用于不适合电化学处理的铝及铝合金。与阳极氧化膜相比,化学转化膜的耐磨性和耐蚀性均较低,但由于工艺简单且生产成本较低,该涂层工艺更加常用[43]。由于转化处理液的成分元素对膜层的组成结构、致密性、耐蚀性等均有很大影响,目前该技术的研究仍然集中在转化液的改进上。常见的化学转化处理包括钛基转化膜、锆基转化膜、锰基转化膜和铈盐转化膜等。研究表明[44,45],3003铝合金表面制备钛酸盐转化涂层后具有较高的点蚀电位和更低的腐蚀电流,但暴露时间过长会导致性能劣化,其次,由于溶液的稳定性难以控制,难以稳定成膜。Banczek等[46]在3003铝合金表面先制备一层铈盐转化膜,然后以烷基二膦表面活性剂分子制备自组装分子膜(SAMs),由于SAM可在铈盐转化膜的缺陷处吸附,可提高膜层的耐蚀性,但其在酸性硫酸钠溶液中时间较长耐蚀性明显下降。Danilidis等[47]以高锰酸盐为基础溶液,加入纳米SiO2和KNO3,在3003铝合金表面制备锰基转化膜,该膜层经过酸-盐雾试验(DIN50021-ESS)21 d后能够保持良好的附着力和耐蚀性。总的来说,单一成分转化膜难以达到较高的耐蚀性,在化学转化处理后进行封闭处理,或者在无机化学转化液中添加一些高分子化合物,形成无机-有机复合转化膜,可以提高膜层的耐腐蚀性能。转化液组成成分和复合工艺的选择、溶液的稳定性等,都还需要深入的研究。

4.4 溶胶-凝胶处理

溶胶-凝胶处理是用有机硅作为前驱体,在溶剂中均匀混合并发生水解反应,生成大量高活性的Si-OH基团,形成稳定的透明溶胶体系;溶胶经过陈化,Si-OH基团之间缓慢聚合形成失去流动性的Si-O-Si空间网络结构的凝胶,而Si-OH基团与金属表面反应,通过Me-O-Si连接,从而达到金属表面防护的作用。溶胶-凝胶转化处理能够在微/纳米尺度上操控网络结构,从而通过改变前驱体结构和处理条件来控制薄膜的力学性能和阻隔性能。Yabuki和Larissa等[48,49]采用溶胶-凝胶工艺在3003铝合金表面制备得到具有良好耐蚀性能的有机涂层。Niknahad等[50]为了进一步提高溶胶-凝胶涂层的力学性能和耐蚀性,加入纳米SiO2颗粒合成了一种新型的双硅烷化合物,经过500 h中性盐雾试验后该涂层未发生严重腐蚀,表明纳米颗粒可通过增强阻隔作用来改善涂层的耐蚀性。此外,溶胶-凝胶工艺还可以作为阳极氧化膜或化学镀层的封闭处理。目前,溶胶-凝胶技术还未得到广泛应用,大规模的工业生产还面临不少难题,与化学转化处理类似,同样存在溶胶的稳定性、溶胶组分的复配以及涂层容易开裂等难以控制的问题[51];其次,凝胶-凝胶处理常用的制备工艺,提拉法、旋涂法等,无法在结构复杂的微通道换热器中应用,研究新型涂覆工艺、探索制备周期短且性能优的处理方案仍需努力。

4.5 其他涂层技术

随着技术手段的不断更迭,研究有机无机复合涂层以及纳米涂层技术等逐渐成为当前的研究热点。Tussolini等[52]将铝合金3003浸入由柠檬酸、乙二醇和铌铵络合物制备的树脂中,制得新型氧化铌陶瓷涂层,电化学测试结果显示,该涂层与商用的基于Cr(III)的涂层相比,在酸性(pH 4)含Cl-的硫酸钠溶液中具有更高的耐蚀性。Yaseen等[53]研制了一种铜三聚体粉末,将其溶解于丙酮中,在3003铝合金表面形成均匀膜层,腐蚀电流密度与基体相比降低了三个数量级,同时在3.5%NaCl溶液中浸泡30 d后薄膜仍然稳定。该团队[54]还采用光聚合方法制备了交联聚甲基丙烯酸六氟异丙酯疏水耐腐蚀涂层,该涂层在3.5%NaCl溶液中浸泡60 d后仍然保持稳定。Coquery等[55]以天然壳聚糖为原料,采用逐层技术(LBL)在3003铝合金表面制备生物基防腐涂层,在0.1 mol/L Na2SO4溶液中低频阻抗值相对于裸基体提高两个半数量级。Zhou等[56]在3003铝合金表面研制了一种双层涂层,首先采用等离子体增强化学气相沉积工艺制备六甲基二硅氧烷等离子体聚合薄膜(pp-HMDSO),然后涂覆聚氨酯(PU)涂层。该涂层体系在实际海洋环境暴露6个月的结果显示,涂层的耐蚀性能良好。但由于等离子体增强化学气相沉积工艺需要严苛的真空环境,极大地限制了其应用范围。Kim等[57]将三乙醇胺(TEA)这种胺基缓蚀剂,以微胶囊的形式嵌入环氧涂层中,通过TEA的逐步释放来减缓金属基体的氧化过程,提高涂层对3003铝合金涂层的长期保护作用。尽管这些新型涂层技术尚不成熟,但均在一定程度上促进了3003铝合金表面防护技术的发展。

作者团队采用溶胶-凝胶法在3003铝合金表面制备了一种高耐蚀性且化学稳定性好的复合膜层,耐中性盐雾时长超过1680 h。此外,采用达克罗技术在3003铝合金表面制备了一种新型无铬锌铝涂料,并以8-HQ作为缓蚀剂和添加纳米TiO2等颗粒对其进行改性,采用动电位极化曲线确定腐蚀速率,腐蚀电流密度与铝合金基体相比下降了约两个数量级;采用中性盐雾进行加速腐蚀试验,并定期进行电化学阻抗测试,该膜层耐中性盐雾时间可达300 d。

3003铝合金为防锈铝合金,相对于其他牌号的铝合金而言,其表面处理工艺和防腐技术的研究,相对较少。目前的研究显示,不同的表面处理技术在不同程度上提高了3003铝合金的耐蚀性能,但都不可避免的存在一定的短板和局限性。化学镀能够在铝合金基体上沉积金属镀层,但膜层的耐磨性不足,膜层在强酸、碱及高温环境中不具备良好的耐蚀性;阳极氧化处理是目前获得高耐蚀性膜层最常用的技术,选择合适的封闭处理技术和后期废液排放问题还有待解决;单一的化学转化处理或溶胶-凝胶处理难以获得足够的耐蚀性,往往需要与其他制备工艺相结合开发高性能的复合膜层。此外,可以考虑纳米技术的应用,将具备独特结构和优异性能的纳米材料引入表面处理技术中,进一步提升膜层的耐蚀性,提高铝合金的服役寿命。

作为微通道换热器的主要用基材,3003铝合金的特殊结构使得常用的一些处理工艺的适用性受到限制,另外设备的服役环境通常有一定的污染性,即介质的pH值可能为酸性,腐蚀性更强。因此,开发高耐蚀、耐酸性介质的易于施工的膜层是主要目标,并且该膜层还不能降低换热效率,具有一定的挑战。

5 总结

铝合金微通道换热器为制冷空调等的重要部件,其主要基材为耐蚀性较好的3xxx系铝合金(如3003铝合金)。在实际应用中,现在的材料和技术对微通道换热器在结霜和排水等方面的不利情况有一定的改善,但是仍然存在着表面防护层不够均匀致密、力学性能差等,以及在酸性的溶液环境中耐蚀性有待提高等问题。

通过介绍了铝合金微通道换热器的腐蚀状况,并结合实际工况分析其腐蚀机理,总结了在微通道换热器中添加缓蚀剂和基材表面处理等腐蚀控制技术。此外,着眼于微通道换热器主要用基材--3003铝合金,详细阐述了其表面防护技术研究进展及应用情况,可以对微通道换热器的腐蚀控制研究提供参考。需要注意的是,针对微通道换热器的表面处理技术还必须考虑到技术的可操作性、安全隐患、性价比以及环保问题等因素。若能综合各个表面处理工艺的优点,在3003铝合金表面制备出均匀致密、耐腐蚀性能达标、与基体的附着力好、且不降低换热效率、施工难度不大的防腐涂层,有望推动新一代耐用铝合金微通道换热器的发展。

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In many industries and processes, heat exchangers are of vital importance as they are used to transfer heat from one fluid to another. These fluids can be corrosive to heat exchangers, which are usually made of metallic materials. This paper illustrates that corrosion is an important problem in the operation of heat exchangers in many environments, for which no straightforward answer exists. Corrosion failures of heat exchangers are common, and corrosion often involves high maintenance or repair costs. In this review, an overview is given of what is known on corrosion in heat exchangers. The different types of corrosion encountered in heat exchangers and the susceptible places in the devices are discussed first. This is combined with an overview of failure analyses for each type of corrosion. Next, the effect of heat transfer on corrosion and the influence of corrosion on the thermohydraulic performances are discussed. Finally, the prevention and control of corrosion is tackled. Prevention goes from general design considerations and operation guidelines to the use of cathodic and anodic protection.

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为探究车用钢铝电偶腐蚀的表面防护工艺效果,分别对车用6016铝合金和DC01碳钢进行钛锆转化和热镀锌处理,采用极化测试、电化学噪声技术和扫描电镜分析不同表面处理的电偶腐蚀速率及腐蚀形态。结果表明:未处理的6016铝合金与DC01碳钢之间存在显著的电偶腐蚀,铝合金作为阳极,偶接24 h就表现出全面腐蚀;仅对铝合金钛锆转化处理,铝合金仍作为阳极,其腐蚀形态以点蚀为主,电偶电流略微降低,防护效果不明显;仅对碳钢镀锌处理,发生极性反转,铝合金转变为阴极受到保护,但铝合金表面富铁夹杂诱发了点蚀坑的形成;对铝合金钛锆转化处理的同时对钢镀锌,电偶电流降低两个数量级,电偶腐蚀防护效果显著。

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Use of a plasma-polymerized (pp) layer under a polyurethane (PU) coating on aluminum dramatically improves the corrosion resistance. Compared to conventional polymer coatings, pp coatings are highly cross-linked, have better adhesion to substrates, and result in lower emission of volatile organic contents. Although past research has focused on the properties of comparatively thick pp films and on the use of pp films alone to protect metals, we consider here very thin pp coatings as a primer layer to improve corrosion resistance. Electrochemical impedance spectroscopy combined with salt spray lab tests show that the corrosion resistance of a PU coating on top of a pp coating from hexamethyldisiloxane (HMDSO) is much better than that of a PU coating directly on Al 3003. The relatively poor pull-off adhesion between PU and pp-HMDSO is readily addressed using a gradient coating by depositing a pp maleic anhydride layer over the pp-HMDSO coating or by modifying the surface composition of the pp-HMDSO coating with N plasma. X-ray photon spectroscopy analysis of the failure interface from pull-off tests makes clear that failure does not occur at the interface between the pp coating and the metal substrate. Field tests show the performance of the coating system with PU on a gradient coating on Al 3003 to be superior to that of a coating system of PU on chromate-treated Al 3003.

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Smart coating embedded with pH-responsive Nanocapsules containing a corrosion inhibiting agent

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