走进实验室丨这个研究中心让高铁散热器寿命比国外提高一倍

湖南科技大学研究生院副院长、高功效轻合金构件成形技术及耐损伤性能评价湖南省工程研究中心主任陈宇强在操作3D打印机。

红网时刻新闻记者 刘志雄 湘潭报道

一根坚硬的铁丝反复弯折，便可能诱发裂纹甚至断裂，这样的金属疲劳现象，在高铁的金属构件中同样存在。

如何克服疲劳问题等金属材料的通病，提高金属构件的服役寿命呢？高功效轻合金构件成形技术及耐损伤性能评价湖南省工程研究中心针对不同的应用场景和构件需求，给出了他们的答案。

2019年，在湖湘青年英才培训班上，湖南科技大学研究生院副院长陈宇强和株洲时代金属制造有限公司总经理顾宏宇碰撞出了火花，一个做基础研究，一个从事实际生产，萌生了一起建立个产学研平台的想法，构成了研究中心的雏形。

2020年，研究中心以湖南科技大学为牵头单位，联合江麓机电集团有限公司、株洲时代金属制造有限公司等合作建设，研究高功效轻合金构件的铸造成型、塑性成形、连接成形及耐损伤性能评价等领域的技术难题。近年来，研究中心共承担了各类科研项目80余项，从理论到应用，解决困扰行业发展的突出问题。

研究中心展示的研究成果。

以高铁的关键部件散热器为例，研究中心使其服役年限达到了12年，而国际上德国贝尔、AKG等知名企业生产的散热器，服役寿命普遍只有5到6年。在2021年的某次国际展会上，新型散热器以其卓越的性能引起国际同行的围观和虚心求教。

“如今轨道交通已经到了成熟期，行业体量大，设备的服役寿命直接影响运维成本，要让利用率与效率最大，是目前亟需解决的问题。”陈宇强说，“设备服役的可靠性还关乎安全问题，1998年德国ICE高铁安全事故曾造成101人死亡，直接原因就是金属材料的疲劳断裂。高铁的运维安全直接影响中国的国际声誉，绝不容有失！”

金属疲劳在理想环境都存在，更何况面对全国各地复杂多样的天候环境。陈宇强团队通过解剖分析发现，散热器功能减弱的原因是铝合金翅片腐蚀疲劳穿孔引起的冷却液流失。在高铁运行过程中，铜屑、铁屑附着形成的原电池反应与反复应力的共同作用，诱发铝合金翅片流道形成细小孔洞，最终导致散热器漏液并逐渐失去功效。

于是陈宇强团队从合金成分、焊接工艺、表面涂层等方向下手，选取性能更好的材料、焊剂和涂层，并采取更好的工艺，达到优化目的。

研究中心团队在实验室操作仪器进行试验。

散热器内，是成千上万个流道形成的蜂窝状结构，一个个空心金属管即细又薄还要兼顾高的强度、耐蚀性和成形性。陈宇强说，科学攻关就要解决这既要还要的问题。

因结构过于复杂，散热器流道的涂层很难均匀一致，让大多数科研人员望而生畏。陈宇强介绍，涂层首先考虑要结合力和润湿性的问题，铝合金的腐蚀很多是在潮湿环境下发生，在这个基础上，他们再考虑疏水性和结构性问题，并进行表面刮擦实验、流动性实验等，从几十种涂层方案挑选最优解。

项目最难的突破点在于焊剂，研究中心团队花了大半年在研究焊剂材料。一个散热器有几千个焊接点，焊接点容易出问题。现有的焊剂中，大多添加了氟元素，它有利于焊剂短时间成型，但不利于金属材料长期服役。

“我们通过正交实验法、机器学习等，找元素来替代，通过润湿性实验看结合力，还要看焊接效果、成型是否方便，还有检验各种性能……”项目完成两年后，和记者说起当时的研究，陈宇强依然觉得头疼。

陈宇强和团队成员在观察仪器情况。

散热器内的冷却液渗漏难以察觉，可能在列车长途行驶过程中突发安全报警，无法有效散热的牵引变压器将是巨大安全隐患。

“约等于在创造新材料。”陈宇强说，焊剂的成分都会对铝合金产生腐蚀影响，还要有更好的焊接工艺，既要考虑材料问题还要考虑工程问题。在研究中心，一个构件，要在各种条件各种功放的服役环境中，进行一千万周次以上的疲劳模拟实验。

在陈宇强看来，省属院校要尽可能服务当地经济发展，其团队和湖南本地企业也合作紧密。对于材料和工艺，研究不但要考虑技术突破还要兼顾生产成本。构件是否容易成型？生产效率和能耗如何？研究中心既要考虑技术可行性，也要算清经济账。

陈宇强说，如何让轻合金构件成形更适用、更高效、更可靠，以促进湖南轨道交通、武器装备、工程机械、新能源汽车等重点产业的发展，是研究中心始终努力的方向。

来源：红网

作者：刘志雄

编辑：戴桢

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