金屬燃燒特性與測(cè)試方法研究綜述——聚焦鈦合金/鎂合金燃燒機(jī)理，系統(tǒng)對(duì)比顆粒與塊狀燃燒試驗(yàn)特性，剖析技術(shù)瓶頸并展望未來研究方向

1、引言

金屬燃燒是一種無需初始條件的新型失效模式?高溫富氧環(huán)境下，合金發(fā)生區(qū)別于常規(guī)氧化 / 熔化的特殊燃燒，能量源于金屬自身或表面反應(yīng)，伴隨劇烈放熱?強(qiáng)光及不可控性?金屬燃料研究滯后于氣體燃料，實(shí)驗(yàn)方法分顆粒與塊狀燃燒兩類：前者因微小尺寸需精密儀器監(jiān)測(cè)亮度 / 溫度突變；后者因表面積不足導(dǎo)致局部燃燒與速率不均?本研究系統(tǒng)地對(duì)比了兩類測(cè)試裝置特性，剖析了技術(shù)瓶頸并提出未來研究方向?

2、金屬燃燒研究現(xiàn)狀

金屬燃燒行為可歸納為三種模型：液相燃燒?氣相燃燒和混合相燃燒模型?有學(xué)者提出主要反應(yīng)途徑包括：金屬蒸發(fā)后的氣相氧化；表面氧化生成揮發(fā)性氧化物或亞氧化物；表面氧化形成非揮發(fā)性氧化沉積物并溶解于金屬 [1]?金屬材料的燃燒涉及復(fù)雜的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程，分為熱解?擴(kuò)散和點(diǎn)燃 3 個(gè)階段?下文以鈦合金和鎂合金為例進(jìn)行具體分析?

2.1 鈦合金燃燒行為

鈦合金在高壓?高速摩擦或劇烈沖擊下易引發(fā)燃燒，其活性元素 (鈦 / 鋁 / 釩) 與氧反應(yīng)生成氧化物?初始階段氧原子滲入鈦表面晶格形成 TiO?, 隨溫度升高氧化膜破裂失保護(hù)，氧氣與基體劇烈反應(yīng)生成其他氧化物并釋放熱量，達(dá)到燃點(diǎn)后即發(fā)生燃燒?邵磊等基于 TC4?TC11?Ti14?Ti40 合金的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析燃燒過程微觀結(jié)構(gòu)演變及 “固 - 液” 界面擴(kuò)展機(jī)理 [2]?Ti-25V-15Cr 與 Ti-6Al-4V 燃燒后形成氧化區(qū)?熔融區(qū)?熱影響區(qū)和基體四區(qū)域?研究表明，合金元素如釩 (V)?鉻 (Cr)?鋁 (Al) 等對(duì)鈦合金的燃燒行為有顯著影響，如 Ti-25V-15Cr 的阻燃性能優(yōu)于 Ti-6Al-4V, 這是因?yàn)?Ti-25V-15Cr 中 V 和 Cr 元素含量較高，V 和 Cr 元素形成的氧化物層能夠減緩氧的擴(kuò)散，提高合金的阻燃性能，圖 1 所示為 Ti-6Al-4V 和 Ti-25V-15Cr 合金反應(yīng)區(qū)的典型結(jié)構(gòu) [3]?

2.2 鎂合金燃燒行為

鎂合金在富氧環(huán)境中因低表面活化能易發(fā)生氣相燃燒 (蒸發(fā)燃燒)?鎂蒸汽經(jīng)多孔膜逸出后與氧接觸面積增大，觸發(fā)劇烈氧化反應(yīng)并釋放熱能，形成自持燃燒循環(huán)?鎂合金高溫氧化涉及化學(xué)?擴(kuò)散及相變多重機(jī)制，直接影響氧化層抗裂性?Han 等建立鎂合金燃燒數(shù)學(xué)模型及可燃性測(cè)試體系，揭示其燃燒行為受熱物理性質(zhì)?氧化膜特性等內(nèi)因及氣體環(huán)境等外因共同影響?Tan 通過添加 Ca?Be?Sr 等稀土元素提升抗氧化性，建立 RPB?SAEE?REE 等氧化物增強(qiáng)模型，其中 OR 模型證實(shí)氧化層機(jī)械強(qiáng)度對(duì)防護(hù)性能的關(guān)鍵作用 [4]?Ni 等發(fā)現(xiàn)第二相 (如 LPSO?C36 相) 過多損害抗氧化性，提出 PBR 模型優(yōu)化基體防護(hù)，并開發(fā)出 Mg-Al-Ca 基?SEN (Mg-Al-Zn-Ca-Y) 及 Mg-Y/Gd 基等高強(qiáng)耐燃合金 [5]?

3、燃燒試驗(yàn)方法

3.1 顆粒燃燒試驗(yàn)

激光點(diǎn)火技術(shù)通過激光的高能輻射效應(yīng)，將試樣顆粒迅速加熱至點(diǎn)火溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品粒子的點(diǎn)燃 [6]?圖 2 (a)~(i) 看出，燃燒階段，顆粒周圍部分區(qū)域有淺黃色的火焰?在 t=0.01s, 當(dāng)激光點(diǎn)燃顆粒堆，此次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火延遲為 t=0.479s 時(shí)，產(chǎn)生火焰，隨后燃燒更加劇烈，并出現(xiàn)微爆炸現(xiàn)象?由圖得出，顆粒堆僅在被激光照射的區(qū)域內(nèi)燃燒，由于當(dāng)粒子被點(diǎn)燃后，火焰就停止了蔓延，這是因?yàn)檠趸镳じ皆谠嚇颖砻妫柚沽祟w粒和氧的進(jìn)一步反應(yīng)，導(dǎo)致了金屬顆粒點(diǎn)火效率低?Dreizin 等人在不同的氧化條件下，對(duì)鋁粉進(jìn)行加熱，得到了點(diǎn)燃鋁粉所需要的最小點(diǎn)火能量與鋁粉噴射速度之間的關(guān)系 [7]?有學(xué)者利用激光點(diǎn)火研究了鈦鋁金屬間化合物 (TiAl 合金) 燃燒行為，揭示燃燒過程熔體的形成與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及氧化物的類型和結(jié)構(gòu)特征?研究發(fā)現(xiàn) TiAl 合金發(fā)生起燃及持續(xù)燃燒的激光功率臨界條件分別遵循拋物線和拋物線直線規(guī)律，且顯著高于近 α 型高溫鈦合金，具有更好的阻燃性能?采用點(diǎn)火絲法和激光點(diǎn)火紅外測(cè)溫法分析硼鎂合金的點(diǎn)火和燃燒過程，結(jié)果表明，MgB?具有良好的點(diǎn)火特性，通過兩種方法分別獲得最高點(diǎn)火溫度 1292K 和 1293K, 如圖 2 所示?

3.2 塊狀燃燒試驗(yàn)

(1) 摩擦誘導(dǎo)點(diǎn)火試驗(yàn)?金屬富氧燃燒主要源于摩擦加熱作用?弭光寶等 [8] 通過摩擦氧濃度法揭示復(fù)合涂層對(duì) TC11 鈦合金燃燒產(chǎn)物的調(diào)控機(jī)制 [8-9]?Zhu 等改進(jìn)摩擦點(diǎn)火技術(shù)提出 TiAl 合金 “內(nèi)部預(yù)氧化 + 表面鍍 Al” 阻燃模型：Al 含量是阻燃核心因素，Al 元素降低 TiO?比例并提升阻燃膜密度，S 元素與 β 相形成 Al/Nb 擴(kuò)散通道 [10]?王標(biāo)等基于摩擦實(shí)驗(yàn)與有限元分析證實(shí)，TC4 鈦合金擴(kuò)散燃燒需靜子件熱累積條件，實(shí)測(cè)與模擬起燃溫度誤差僅 3.6%[11]?

(2) 富氧燃燒試驗(yàn)?促進(jìn)點(diǎn)燃燃燒法 (PIC) 用于評(píng)估金屬在高溫富氧環(huán)境中的自燃特性?實(shí)驗(yàn)測(cè)定金屬自燃最低氣壓及對(duì)應(yīng)引燃溫度?熊家?guī)浀韧ㄟ^ Cr 包覆層實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cr 元素與 Al/V 共沉淀形成富 Cr-Al-V 相，抑制氧擴(kuò)散及 Al-O 反應(yīng)，降低 TC4 燃燒速率 [12]?邵磊等對(duì)比 TC4 與 TC11 表明，0.3~0.4MPa 氧壓下 TC4 燃燒速度更高，其液相包晶反應(yīng)及元素富集效應(yīng)是主因?

(3) 高溫液滴法?高溫液滴法通過電弧熔融鈦絲生成熔滴，接觸鈦片時(shí)能量傳遞引發(fā)局部溫升，觸發(fā)燃燒并形成周向蔓延熱源?羅圣峰等通過有限元模擬分析燃燒蔓延及燒斷條件，發(fā)現(xiàn)鈦火前沿呈圓弧擴(kuò)展，臨界對(duì)流傳熱系數(shù)與起始溫度呈線性關(guān)系；臨界氧分壓與初始溫度服從負(fù)指數(shù)規(guī)律 [13]?Chen 確定二次燃燒臨界參數(shù)：液滴尺寸 (d)?相對(duì)氧含量 (Pr) 和初始溫度 (T?) 符合冪律關(guān)系，并建立鈦合金臨界燒蝕統(tǒng)一經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

(4) 直流電弧激發(fā)燃燒法?該實(shí)驗(yàn)采用彎曲試樣與石墨電極通直流電點(diǎn)火，測(cè)定燃燒后重量 / 長(zhǎng)度變化計(jì)算速率?Ti40 與 Ti14 阻燃鈦合金研究表明：Ti40 中 Cr/V 擴(kuò)散形成 Cr?O?/V?O?氧化膜，抑制氧滲透；Ti14 因共析作用生成富 Cu 相包裹層，延長(zhǎng)氧擴(kuò)散路徑?S.Ma 等驗(yàn)證 AZ80 鎂合金點(diǎn)火符合 Ⅲ 型模型，合金板尺寸與點(diǎn)火時(shí)間正相關(guān)，尺寸?熔融相變及氧化層應(yīng)變?yōu)楹诵挠绊懸蛩兀绫?1 所示?

表 1 顆粒燃燒行為試驗(yàn)方法比較

3.3 金屬顆粒燃燒與塊狀燃燒試驗(yàn)對(duì)比分析

兩種方法均采用點(diǎn)火方式?外界能量 (摩擦 / 熱量) 與氣體壓力升高可降低點(diǎn)火溫度，觸發(fā)燃燒?其機(jī)理均為氧化還原反應(yīng)，生成金屬氧化物 (固體灰燼或氣體)?顆粒燃燒因比表面積大?氧接觸充分，燃燒速率快且點(diǎn)火易，溫度驟升且分布不均?燃燒時(shí)顆粒表面形成氧化物殼層，內(nèi)部金屬持續(xù)擴(kuò)散反應(yīng)，產(chǎn)物為易擴(kuò)散微顆粒?過程劇烈且不穩(wěn)定，易引發(fā)爆燃，可研究膨脹變形?彌散沸騰及微爆演化，適用于煙火?粉末冶金及推進(jìn)劑等高能釋放領(lǐng)域?塊狀金屬因表面積小?氧接觸受限，燃燒速率慢且點(diǎn)火溫度高?表面氧化層阻礙反應(yīng)，溫度均勻緩升，過程平穩(wěn)?通過調(diào)節(jié)氧濃度?壓力?粒徑等參數(shù)可研究火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及組織變化，適用于工業(yè)加熱?金屬加工等需穩(wěn)定燃燒的場(chǎng)合?

4、結(jié)束語

諸多研究學(xué)者已對(duì)金屬的點(diǎn)燃和燃燒特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，而解決問題的關(guān)鍵在于突破其易燃特性這一瓶頸，未來研究重點(diǎn)包括幾個(gè)方面:

①深化金屬燃燒動(dòng)力學(xué)及點(diǎn)火機(jī)理研究；

②結(jié)合有限元技術(shù)分析不同壓力 / 動(dòng)態(tài)環(huán)境中的燃燒行為，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)試驗(yàn)；

③開發(fā)可控測(cè)試平臺(tái)及評(píng)價(jià)方法，解決試驗(yàn)條件隨機(jī)性問題，探究環(huán)境因子對(duì)燃燒的影響機(jī)制；

④重點(diǎn)發(fā)展金屬燃燒預(yù)測(cè)方法，研發(fā)耐燃合金與阻燃涂層，提升材料安全性?

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（注，原文標(biāo)題：金屬材料燃燒行為試驗(yàn)研究現(xiàn)狀）

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