新能源汽車控制模塊內(nèi)腔防腐蝕開發(fā)研究

劉強強 黃恩榮

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳518118）

1 前言

傳統(tǒng)燃油車開發(fā)過程腐蝕試驗包括鋁泵氣穴腐蝕試驗、模擬使用腐蝕試驗、鑄鋁合金腐蝕試驗。目前，國內(nèi)具備發(fā)動機冷卻液腐蝕臺架試驗檢測資質(zhì)的機構(gòu)僅有4～5 家，大多存在設(shè)備老化、技術(shù)落后、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等缺點[1]。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的腐蝕主要有金屬熱表面腐蝕、氣穴腐蝕、點蝕、沖蝕、間隙腐蝕等[2]。

與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源車上的電機、電池、電控等也需要通過冷卻系統(tǒng)帶出基體熱量。冷卻液在鋁鑄造腔體帶出熱量過程中，會造成鑄造鋁內(nèi)腔銹蝕。例如，通過正交設(shè)計試驗，研究各種添加劑的防腐蝕性能，并通過因子最佳水平分析和因子重要性分析[3]。通過研究鋁制控制模塊系統(tǒng)表面處理工藝，基材腔體流道表面使用化學(xué)氧化處理或二次防護處理難以得到令人滿意的結(jié)果。通過研究基材自身耐腐蝕性能，若腔體僅依靠材料自身耐腐蝕性能進行防護，需要充分考量材料極限厚度。通過冷卻液的堵塞性驗證，雖然基體采用鑄造加工完成，存在防護處理死角或者不均勻性，導(dǎo)致冷卻液長期運行產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物堵塞流道或者腐蝕破壞流道[4]。

在現(xiàn)有的研究中，對于傳統(tǒng)燃油車，冷卻液銹蝕腔道問題等相關(guān)標準[5]、試驗方法[6]、評價方法[7]都比較完善，已經(jīng)成獨立體系。然而對于新能源系統(tǒng)下腔體內(nèi)部腐蝕研究卻鮮有耳聞。因此，對新能源控制模塊的內(nèi)腔防腐蝕開發(fā)進行了研究，本研究成果可以形成企業(yè)內(nèi)部標準、試驗規(guī)范、評價基準。

2 試驗

2.1 試驗臺架搭建

試驗主要通過變壓設(shè)備（型號：JP15100D）對水泵（型號：EWP40，0-13.5V）限制流速，采用FDV45A 設(shè)備顯示流速。為了控制溫度的變化，臺架內(nèi)腔設(shè)備部分配備了高低溫試驗箱KU-504。在試驗過程中搭建了控制模塊的臺架，搭建設(shè)備及其完整的試驗過程如圖1 所示。

圖1 試驗臺架系統(tǒng)示意

2.2 主要原材料

試驗需要使用的試驗化學(xué)試劑見表1。其中鋁粉材料為自制鋁粉。

表1 試驗化學(xué)試劑

2.3 試驗方案及目的

產(chǎn)品在使用過程中，需要通過各種不同的方案來進行驗證，正是整個問題的關(guān)鍵控制。因而本研究設(shè)計了如下3 種不同試驗方案維度，以驗證產(chǎn)品面臨的工況。2.3.1 離子濃度正交試驗

在試驗過程中，配置液按照1∶1∶1∶1 配置其濃度，在100 mL 器皿中混合均勻，然后根據(jù)設(shè)定的組合梯度配比。單一材料的方案組合序列為逐次遞增分布。如果采用基于單因素變化的全因子試驗，則組合形式有256 種，如表2 所示。對全因子方案試驗進行優(yōu)化，基于正交試驗的方法將其縮減至26 組。通過試驗甄選出影響基材的關(guān)鍵因子，對比傳統(tǒng)試驗等效配方，確認是否再次適用于控制模塊系統(tǒng)。

表2 腐蝕速率各影響因子試驗設(shè)計方案

通過等效配方中的各個腐蝕介質(zhì)離子濃度直接影響基材腐蝕性能。

2.3.2 多工況下基材腐蝕速率的測量

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，對基材選擇及選擇對應(yīng)的表面處理方式也會略有不同。如存在6 系鋁、7系鋁，表面存在鍍鋅、鍍鉻、拋光或者不拋光等，在實際產(chǎn)品運行過程中，基體的鋁基材會受到不同的工況影響。在基材表面處理條件下高溫運行時、高溫停止運行時、常溫靜置時、基材腐蝕速率會存在差異。同時在基材表面鍍層腐蝕完成后，高溫運行時、高溫停止時、常溫靜置時，也會出現(xiàn)不同的腐蝕速率。

基于上述工況，試驗設(shè)置了基材打磨和不打磨狀態(tài)。腐蝕介質(zhì)為冷卻液，外在耦合工況分別為85 ℃，室溫（20～30 ℃）下放置。對比不同試驗組合，得到不同的基材腐蝕速率，試驗設(shè)計方案如表3 所示。

表3 腐蝕速率各影響因子試驗設(shè)計方案

通過不同基材、不同表面處理方式、在不同溫度的工況影響下，發(fā)現(xiàn)基材速率的變化。

2.3.3 不同腐蝕介質(zhì)對基材腐蝕速率的影響

在異種腐蝕介質(zhì)試驗中，同種材料之間的不同腐蝕介質(zhì)的腐蝕性能主要依據(jù)腐蝕速率對后續(xù)的加速腐蝕試驗的影響進行量化。

基于上述正交試驗僅進行材料的等離子濃度定性分析，對比試驗結(jié)果可以優(yōu)化最終的試驗配方，以滿足配方與冷卻液對基材的腐蝕速率一致，從而找到最優(yōu)配置方案。異種腐蝕介質(zhì)的腐蝕速率定量分析為材料后續(xù)的腐蝕試驗加速材料選取，系統(tǒng)（臺架）試驗用量提供參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

現(xiàn)有的冷卻液材料基準上，新增3 組試驗材料方案，分別為亞硝酸鹽、亞硝酸鹽+鉬酸鹽以及前期在正交試驗中涉及到的A4+B4+C4+D4 配置材料方案，具體的設(shè)計方案如表4 所示。

表4 不同腐蝕介質(zhì)對基材腐蝕速率設(shè)計方案

通過不同腐蝕介質(zhì)對標冷卻液腐蝕介質(zhì)，標定各種介質(zhì)腐蝕速率，尋找各材料差異。

2.4 系統(tǒng)模擬驗證試驗與工程拓展

腔體的模擬試驗在前期試驗數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，對實車使用過程進行模擬。其中實車使用數(shù)據(jù)基于客戶試驗過程中的使用年限（壽命）來考量。在控制模塊的冷卻系統(tǒng)上，對控制模塊系統(tǒng)及腐蝕介質(zhì)繼續(xù)模擬是形成一個材料級、系統(tǒng)級、工程級閉環(huán)驗證的重要環(huán)節(jié)。

2.4.1 腔體模擬腐蝕試驗

分析前3 組不同腐蝕介質(zhì)對基材腐蝕情況。升級2 組試驗方案（硝酸鹽、硝酸鹽+鉬酸鹽）對系統(tǒng)（臺架）進行比對。同步結(jié)合實車腔體內(nèi)部銹蝕、常規(guī)耐久控制模塊腔體銹蝕情況以及腔體腐蝕后數(shù)據(jù)，研判相關(guān)腐蝕形貌。

2.4.2 腔體模擬試驗的工況設(shè)定

控制模塊不同負載工況下熱能釋放程度不做設(shè)定模擬。取最大溫度（85 ℃）情況下產(chǎn)生的熱量，高低溫試驗箱溫度設(shè)置如圖2a 所示，其熱量轉(zhuǎn)換見圖2b，紅外溫度儀器檢測所示。模擬臺架參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)子流速＞9 L/min。

圖2 試驗臺架溫度設(shè)定示意圖

2.5 腔體堵塞試驗

經(jīng)過實踐拆解現(xiàn)有的試驗車，部分車輛零部件仍存在內(nèi)腔銹蝕嚴重，且存在異物，如圖3 所示。

圖3 零部件腔道異物示意

在基于腐蝕性能的基礎(chǔ)上，異物對控制模塊冷卻系統(tǒng)的主體功能是否會受到影響需要同步關(guān)注。銹蝕產(chǎn)物殘留導(dǎo)致主體功能受到影響，后續(xù)衍生堵塞試驗?；诮饘俅嬖阡P蝕的前提下，多少銹蝕產(chǎn)物是工程產(chǎn)品設(shè)計允許存在，不影響產(chǎn)品主體功能。工程上需要建立對應(yīng)工程目標、性能參數(shù)、試驗規(guī)范、評價方法。

2.5.1 堵塞試驗異物

腐蝕介質(zhì)很大程度上對腔體、管道產(chǎn)生堵塞風(fēng)險。在本研究中，腔體基體基材為鋁材質(zhì)，基材鑄造加工過程以及腔體后續(xù)工藝加工制造過程中存在鋁屑殘留。另一方面，在實際的腐蝕過程中，鋁屑顆粒在腐蝕介質(zhì)的影響下，增加了自身的接觸面積，更有利于自身化學(xué)腐蝕，容易與腐蝕介質(zhì)相融，更容易得到腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3。其腐蝕反應(yīng)及平衡方程[1]為：

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

平衡方程：

鋁粉顆粒的大小直接影響了本次試驗結(jié)果，調(diào)研的零部件折彎處的剝離粉末顆粒大小約Φ1.0×2.0 mm。

2.5.2 堵塞材料制作

鋁粉及加注流程見圖4。

圖4 堵塞材料制備示意

鋁粉制備主要分3 步驟。

a.清洗除油，然后進行烘烤；

b.研磨及篩選，篩選的網(wǎng)篩為75 目；

c. 稱重及加注，按照配比稱重后，加注到冷卻液攪拌均勻。

2.5.3 堵塞試驗的方案

試驗臺架過程加注鋁粉后，模擬腔體堵塞過程控制尤為重要。泵的功率、壺容量、實車與試驗臺架的擺放位置均為試驗影響因素。

在各試驗設(shè)計方案中，鋁粉濃度梯度變量不宜過大?？刂颇K加工制造本身不會產(chǎn)生大面積的鋁屑，實車使用過程中，鋁粉隨著時間的推移會逐漸減小?？蛻粼趯嶋H使用過程中，更換冷卻液會將鋁屑一起帶出腔體?；谝陨峡剂?，方案設(shè)定為：

a.方案1～300 mg/kg，蓋板表面處理1；

b.方案2～200 mg/kg，蓋板表面處理2；

c.方案3～100 mg/kg，蓋板表面處理1。

2.5.4 堵塞試驗的整體工況設(shè)定

控制模塊不同負載工況下釋放熱能程度，不做設(shè)定模擬。取最大溫度（85 ℃）情況下產(chǎn)生的熱量，臺架運行時間設(shè)定為500 h。其泵轉(zhuǎn)動功率，也接近模擬的實車的轉(zhuǎn)子功率，設(shè)定轉(zhuǎn)子流速為＞9 L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 離子濃度正交試驗

3.1.1 正交試驗結(jié)果

實測記錄26 組試驗結(jié)果，內(nèi)容見圖5 及表5。

表5 不同離子濃度下基材失重試驗結(jié)果 g

圖5 不同離子濃度下基材失重試驗結(jié)果

記錄結(jié)果中，識別測量誤差及測量儀器偏差，對某些數(shù)值修正或者剔除后進行數(shù)據(jù)分析。其中，部分檢測數(shù)據(jù)由于稱重過程中烘烤貼合面粘粘以及天平精度誤差等因素，讀取記錄后失真。當(dāng)考察因素的取值處于試驗取值范圍時，誤差在可接受范圍內(nèi)，預(yù)測模型可用[2]。

3.1.2 數(shù)據(jù)及DOE 分析結(jié)果

腐蝕速率計算如下，試驗數(shù)據(jù)符合Y=m·X+b直線擬合數(shù)據(jù)。

腐蝕后的質(zhì)量按一階關(guān)系等效。

式中：Y為材料質(zhì)量（第N天質(zhì)量），K為斜率（腐蝕系數(shù)），X為天數(shù)，B為初始質(zhì)量。

根據(jù)表6 顯示的結(jié)果，其數(shù)據(jù)曲線擬合之后，26 組試驗的腐蝕速率K值對于后續(xù)數(shù)據(jù)分析以及對腐蝕因子（配方）有很好的指導(dǎo)作用。參考傳統(tǒng)的試驗設(shè)計方案，進行DOE 分析，盡管氨酸根離子具有抑制作用。但是現(xiàn)在的亞硝酸鹽以及亞硝酸鹽+鉬酸鹽，不適合作為目前的冷卻液替代品或等效試驗試劑。

3.2 多工況下基材腐蝕速率的測量

金屬腐蝕速率計算公式：

式中：V為腐蝕速率，K為常數(shù)，W為腐蝕質(zhì)量，A為表面積，T為試驗時間，D為試片密度。備注：6系鋁密度為2.63～2.85 g/cm3；7系鋁密度為2.6～2.9 g/cm3。

在行車過程中，腔體會遇到高溫，常溫等工況?；谋砻娣磸?fù)等氧化，或者磨損。對于這個工況進行組合試驗并記錄試驗結(jié)果，如表7 所示。

表7 多工況下對鋁基材腐蝕速率 mm/a

3.3 不同腐蝕介質(zhì)對鋁基材腐蝕速率的測量

在客戶極端情況下，如客戶未更換冷卻液或者冷卻液有其他雜質(zhì)，腐蝕介質(zhì)存在變異等可能性，不同等腐蝕介質(zhì)腐蝕速率見表8。

表8 不同腐蝕介質(zhì)對鋁基材腐蝕速率 mm/a

3.4 系統(tǒng)模擬驗證試驗與工程拓展結(jié)果討論

3.4.1 腔體模擬腐蝕試驗結(jié)果與工程應(yīng)用

由表7 的試驗結(jié)果可以看出，在高溫狀態(tài)下表面打磨將加速基材的腐蝕速率。各種外表面處理的情況會存在差異。由表8 的試驗結(jié)果可知，在現(xiàn)有的不同腐蝕介質(zhì)下，兩兩腐蝕速率接近，可以作為統(tǒng)一腐蝕介質(zhì)的替代品。若其替代品腐蝕速率＞冷卻液腐蝕速率，可作為加速腐蝕試驗的腐蝕介質(zhì)的加速替代品。綜上，從數(shù)據(jù)分析，硝酸鹽和鉬酸鹽不適合作為等效替代腐蝕因子替代品。

基于零部件開發(fā)以及項目上對產(chǎn)品設(shè)計，不僅要考慮零部件的外觀表面處理耐腐蝕的壽命，也要考慮鋁基材在脫離保護后的銹蝕壽命，即質(zhì)量安全層的臨界值，如圖6 所示。在研究中，針對本研究有關(guān)的產(chǎn)品安全層，需要考慮的腐蝕量做了假設(shè)性預(yù)估，進而為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計做了一個工程的閉環(huán)。

圖6 腐蝕壽命模型示意

綜合試驗數(shù)據(jù)，對控制模塊腔體腐蝕壽命進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表9 所示。

表9 控制模塊腔體腐蝕壽命預(yù)測 a

3.4.2 腔體模擬腐蝕試驗結(jié)果與實車驗證

通過參考腐蝕速率的影響，搭建臺架進行試驗驗證，同步對應(yīng)市場3 年左右售后樣件。將試驗結(jié)果與實車售后件腐蝕深度進行比對。其中圖7 為試驗臺架下拆解的水道腐蝕蓋板和水道腔體。如表10 所示，在失效模式分析中分別對蓋板和基體水道進行分析。其中試驗臺架腔體蓋板位置5 所示測量數(shù)值，如圖8、圖9 和圖10 所示。綜合平均數(shù)值計算結(jié)果，可以查看到理論上的膜厚損失略大于實車平均膜厚，卻小于試驗平均膜厚。對于小于0.5 μm 內(nèi)偏差，基于檢測工具，測量選取點的偏差，客觀讀取上的誤差，會給數(shù)值上帶來波動。綜上所述，材料級與系統(tǒng)級材料腐蝕深度相吻合，該項試驗研究方法有助于工程應(yīng)用。

表10 腐蝕量分析一覽表 μm

圖7 水道腐蝕蓋板和水道腔體

圖8 水道腐蝕蓋板測點位置示意

圖9 蓋板位置5腐蝕

圖10 腐蝕法向深度示意

3.5 腔體堵塞試驗結(jié)果與實車驗證

由3 個試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)型腔與外界未發(fā)生冷卻液外溢，未對腔體產(chǎn)生堵塞。不同的加注量會發(fā)生不一樣的點蝕，其效果如圖11 所示，對應(yīng)單點測量腐蝕深度如圖10 表示，蓋板銹蝕深度統(tǒng)計如表11 所示。

表11 蓋板腐蝕記錄

圖11 水道點蝕位置示意

同時，同步對腔體進行破壞性檢測，對腔體內(nèi)部記錄腐蝕形貌，如表12。

表12 腔道堵塞試驗點檢位置記錄一覽表

在3 組試驗中，2#在不同表面處理情況下，試驗后蓋板耐腐蝕性能最好，但內(nèi)腔腔體的水道內(nèi)壁腐蝕中1#、2#、3#一樣嚴重（圖11）。為此，設(shè)計考量腔體耐腐蝕性能指標，參考設(shè)計方案，采用100 mg/kg@500 h 運行時即可。

4 結(jié)論

通過實際摸底控制模塊鋁基材在不同腐蝕介質(zhì)下的腐蝕速率，同步研究控制模塊冷卻水道系統(tǒng)抗腐蝕性能和堵塞性能，根據(jù)以上研究，獲得結(jié)論如下。

a.產(chǎn)品后續(xù)研發(fā)過程中，現(xiàn)有的硝酸鈉、硝酸鈉+鉬酸鹽的模擬液配方不適合鑄造鋁件的內(nèi)腔腐蝕試驗或者說類似加速腐蝕試驗。

b.在堵塞試驗過程中，鋁粉添加量100mg/kg@500 h 運行時，臺架試驗對內(nèi)腔開發(fā)時，會加速模擬內(nèi)腔磨蝕的工況。鋁粉模擬使用量可作為技術(shù)要求，或者質(zhì)量要求的參數(shù)指標使用。