我国新能源汽车正处在高速增长阶段，到2035年，城市交通将基本摆脱化石燃料^[1-2]。据中汽协统计，2022年我国新能源汽车全年销量为688.7万辆，同比增长93.4%，连续8年位居全球第一。2023年前4个月，我国新能源汽车销量为222.2万辆，同比增长42.8%，仍然保持着快速增长态势。随着新能源汽车的快速发展，对强度要求较高的动力电池水冷板用钎焊式层状铝合金也将迎来快速发展。

张斌^[2]以3XXX系铝合金为芯材的复合材料为研究对象，从合金元素对力学性能及电位的影响、组分的选择和搭配设计、耐腐蚀性能等方面说明了几种新的可以满足新能源汽车的电池水冷板应用需求的钎焊复合铝合金材料开发成果。而新型复合材料在新能源电池冷却部件上的应用，特别是涉及高强度、抗熔蚀的新型复合材料的研究工作还未见报道^[2]。传统3XXX系铝合金钎焊后屈服强度通常为40～100 MPa，由于合金特性，其强度提升空间不大，不能满足持续轻量化以及续航里程提升对高强度的要求。6XXX系铝合金具有优良的强度、优异的成形性、可焊性和耐蚀性等优点，在民用建筑、航空航天以及汽车工业中得到了广泛应用^[3-4]。6XXX系为可热处理强化型铝合金，其抗拉强度、屈服强度在传统3XXX系基础上大幅提升。但由于其钎焊温度通常为590～620 ℃，且保温时间较短，钎焊过程即为固溶过程，钎焊后的冷却速率对强度的影响很大，故研究冷却速率对钎焊后人工时效性能和组织的影响，对获得高强度水冷板有重要意义。

1 试验材料及方法 1.1 试验材料

试验材料为4层铝合金复合板，芯材为6XXX系Al-0.63Mg-0.73Si-0.38Cu铝合金，两侧中间层为3XXX铝合金Al-1.47Mn-0.71Cu，复合厚度比例按（12±2）%配比设计，单侧钎焊层为4343铝合金，复合厚度比例按（7.5±1.5）%配比设计。结构示意图详见图1，各层化学成分详见表1。

1.2 制备工艺

钎焊层、中间层制备：熔炼—半连续铸造—锯切头尾—铣面—加热—热轧—切片—表面处理。

芯材制备：芯材熔炼—半连续铸造—锯切头尾—铣面—表面处理。

4层铝合金复合板制备：钎焊层、中间层、芯材、中间层复合—捆扎打包—复合铸锭加热—热轧至6.00 mm—冷粗轧—冷精轧至1.20 mm—完全再结晶退火。

其中，钎焊层、中间层和芯材的铸锭铣面后厚度为430 mm，芯材铸锭宽度为1 620 mm，钎焊层、中间层铸锭先热轧至目标厚度，然后与芯材铸锭进行复合，热轧加热温度为500 ℃保温4 h，完全再结晶退火温度为370 ℃，保温时间3 h。

1.3 模拟钎焊及人工时效工艺

模拟钎焊工艺：室温升温至590 ℃，保温1 min，然后升温至605 ℃，保温3 min，整个钎焊过程非真空，无气氛保护。模拟钎焊结束后开始冷却，然后进行人工时效，分别进行3种试验：（1）模拟钎焊结束后，取出试样进行空冷，然后进行保温时间为120 min，温度分别为160、180、200、210、220 ℃的人工时效，以验证空冷方式下不同时效温度对性能的影响；（2）模拟钎焊结束后，取出样品进行空冷，然后进行温度为200 ℃，保温时间分别为20、35、50、60、90、120、150 min的人工时效，以验证空冷方式下相同时效温度不同保温时间对性能的影响；（3）模拟钎焊结束后，采用空冷、炉门分别打开20、8、3 cm以及炉冷等5种不同冷却速率的方式，然后进行200 ℃保温120 min的人工时效，以验证不同冷却速率对人工时效性能的影响。整个模拟钎焊及冷却过程中，试样接热电偶，通过无纸记录仪每10 s自动记录一次温度。

对人工时效之后的试样进行力学性能、微观形貌、成分等方面的检测分析。化学成分检测采用ARL3460光电直读光谱仪，力学性能检测采用Zwick Z020型拉伸试验机，金相组织检测采用ZEISS Axio Imager A2m型显微镜，微观形貌及成分分析采用带能谱仪（energy dispersive spectroscopy，EDS）功能的Zeiss Sigma热场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）。试样取自4层铝合金复合板整个板宽的中间1/3区域，拉伸试样尺寸示意图见图2。

图2中：Lt为试样的总长度；Lc为平行长度；L₀为原始标距；b₀为矩形横截面平行长度的原始宽度；bt为夹具夹持头部的宽度；r为圆弧半径，箭头方向为轧制方向。

2 试验结果及分析 2.1 钎焊空冷后人工时效对力学性能的影响

铝合金复合板试样钎焊空冷后不同人工时效温度与力学性能的关系以及不同保温时间与力学性能的关系见图3。

由图3（a）可知，试样钎焊前（记为O态）抗拉强度、屈服强度分别为135.6 MPa、63.4 MPa，钎焊空冷后抗拉强度、屈服强度分别提升到了179.0 MPa、74.2 MPa，分别提升了32.0%、17.0%。人工时效温度为160 ℃时，抗拉强度、屈服强度再次有明显提高，分别提升到了234.8 MPa、130.2 MPa，相比钎焊后分别大幅提升了 31.2%、75.5%，伸长率由20.8%降至20.3%。随着人工时效温度的提升，在200 ℃时，抗拉强度、屈服强度达到最大值，分别为253.0 MPa、200.3 MPa，相比钎焊后分别大幅提升了 41.3%、169.9%，伸长率降至11.6%，之后随着人工时效温度的继续升高强度不断降低。

因钎焊空冷后在200 ℃进行人工时效120 min得到了最大的抗拉强度和屈服强度，故选择200 ℃进行不同保温时间的人工时效。由图3（b）可知，在200 ℃进行人工时效，保温时间为20 min时，抗拉强度、屈服强度分别为218.5 MPa、128.8 MPa，相比钎焊空冷后分别提升了21.8%、73.6%，伸长率降至14.5%。之后随着保温时间的增加，抗拉强度、屈服强度呈现先增加后降低的变化趋势，伸长率逐步降低，保温时间为120 min时抗拉强度、屈服强度达到最大，保温时间进一步增加至150 min时，抗拉强度、屈服强度开始下降，伸长率降至10.7%。

大量研究认为^[6-8]，6XXX系铝合金经固溶—时效热处理实现强化过程中，析出物的析出序列为：过饱和固溶体（αSSS）→溶质原子团簇→球状Guinier-Preston区（GP）→针状$ {\beta }'' $相→棒状$ {\beta }' $相→片状β相（Mg₂Si）。其中，GP区形成于时效初期，是溶质原子在Al基体中的富集，$ {\beta }'' $相是合金时效强度达到峰值时的主要析出相，为亚稳态，$ {\beta }' $相是在过时效中析出的亚稳相，与$ {\beta }'' $相比，其析出强化的作用稍弱，β相为平衡相，是过时效后期析出的，较为粗大，强化效果最弱^[9-11]。一般认为，固溶后淬火过程中产生大量的淬火空位，这些空位成为后续时效过程中形成溶质原子团簇和GP区的形核位点，在时效初期产生大量的溶质团簇和GP区，随着时效温度的提高或时间的延长，空位不断消耗，溶质原子偏聚加剧，GP区中Mg和Si浓度升高并逐渐长大，进而转变成$ {\beta }'' $相，达到强化效果。由此推断，钎焊空冷后在200 ℃进行人工时效120 min时的主要的析出强化相为$ {\beta }'' $相，随着温度的升高或者时间的延长，将逐步演变为以$ {\beta }' $相或者β相为主。

2.2 钎焊后冷却速率对人工时效性能的影响

铝合金复合板试样钎焊后采用了空冷、炉门分别打开20、8、3 cm以及炉冷等5种不同方式的冷却，然后在200 ℃进行人工时效120 min。冷却速率曲线见图4，试样人工时效后的力学性能见表2。

由图4及表2可知，随着炉门开口度的减小，冷却速率不断减小，对应的人工时效之后试样的强度也不断减小。主要因为6XXX系铝合金固溶热处理之后，冷却速度越大，越能防止过饱和固溶体的脱溶转变，因此越容易通过时效获得更高的强度^[12-16]。空冷方式冷却速率最快，经200 ℃人工时效120 min后试样的抗拉强度、屈服强度达最大，分别为253.0 MPa、200.3 MPa。炉门分别打开20、8、3 cm时，经200 ℃人工时效120 min后试样的抗拉强度分别为220.6、166.4、137.0 MPa，屈服强度分别为155.1、71.3、67.3 MPa，抗拉强度和屈服强度均不断降低。炉冷方式冷却速率最慢，10 min炉温只从605 ℃降低至544 ℃，经200 ℃人工时效120 min后试样抗拉强度、屈服强度达最低，分别为93.4 MPa、33.1 MPa，大幅低于O态的。由此推断，钎焊后冷却采用炉门打开3 cm的方式时其抗拉强度、屈服强度与O态的135.6 MPa、63.4 MPa较为接近，可将该方式对应的冷却速率作为有无时效强化效果的临界冷却速率，即钎焊后采用炉门开口大于3 cm进行冷却，则试样会具有时效强化效果，强度会比O态的有所提高，采用炉门开口小于3 cm进行冷却，则无时效强化效果，强度甚至会低于O态的。

2.3 芯材SEM及EDS分析

对铝合金复合板钎焊空冷后、以及经160、200、220 ℃人工时效120 min后的试样芯材第二相进行SEM及EDS分析，结果见图5及表3。

由图5及表3的SEM检测和EDS分析结果可知，试样钎焊后以及经人工时效之后标识出的第二相为不规则的AlFeMnSiCu相。由图5（a）可以看出，AlFeMnSiCu相尺寸最大约10 μm，可能是由于钎焊过程中保温时间较短，仅有3 min，溶质原子来不及完全固溶到基体中，基体中粗大的AlFeMnSiCu相没有充分的时间进行完全溶解而残留下来。

3 结　论

（1）铝合金复合板钎焊空冷后，在200 ℃进行人工时效120 min时，抗拉强度、屈服强度达到最大值，分别为253.0 MPa、200.3 MPa，相比钎焊后分别提升了 41.3%、169.9%，随着人工时效温度的不断升高，其抗拉强度、屈服强度不断降低。

（2）人工时效温度为200 ℃，时间从20 min增加至150 min时，其抗拉强度、屈服强度呈现先增加后降低的变化趋势，在120 min时达到最大值，之后开始下降。

（3）钎焊后采用空冷、炉门分别打开20、8、3 cm以及炉冷等5种方式对铝合金复合板进行冷却，随着炉门开口度的减小，冷却速率不断减小，对应人工时效之后其强度也不断减小。空冷方式冷却速率最快，经200 ℃人工时效120 min后其抗拉强度、屈服强度最大；炉冷方式冷却速率最慢，经200 ℃人工时效120 min人工时效后其抗拉强度、屈服强度最小，分别为93.4 MPa、33.1 MPa。

（4）钎焊后采用炉门打开3 cm时铝合金复合板对应的冷却速率为有无时效强化效果的临界冷却速率，即采用炉门开口大于3 cm冷却时，则其会具有时效强化效果，采用炉门开口小于3 cm冷却时，则其无时效强化效果。