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，伴隨劇烈放熱?強光及不可控性?金屬燃料研究滯后于氣體燃料，實驗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)測亮度 / 溫度突變；后者因表面積不足導致局部燃燒與速率不均?本研究系統(tǒng)地對比了兩類測試裝置特性，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?有學者提出主要反應途徑包括：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雜的熱力學和動力學過程，分為熱解?擴散和點燃 3 個階段?下文以鈦合金和鎂合金為例進行具體分析?

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，氧氣與基體劇烈反應生成其他氧化物并釋放熱量，達到燃點后即發(fā)生燃燒?邵磊等基于 TC4?TC11?Ti14?Ti40 合金的實驗，系統(tǒng)分析燃燒過程微觀結(jié)構(gòu)演變及 “固 - 液” 界面擴展機理 [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, 這是因為 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?擴散及相變多重機制，直接影響氧化層抗裂性?Han 等建立鎂合金燃燒數(shù)學模型及可燃性測試體系，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 等氧化物增強模型，其中 OR 模型證實氧化層機械強度對防護性能的關鍵作用 [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，并開發(fā)出 Mg-Al-Ca 基?SEN (Mg-Al-Zn-Ca-Y) 及 Mg-Y/Gd 基等高強耐燃合金 [5]?

3、燃燒試驗方法

3.1 顆粒燃燒試驗

激光點火技術(shù)通過激光的高能輻射效應，將試樣顆粒迅速加熱至點火溫度，實現(xiàn)對樣品粒子的點燃 [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, 當激光點燃顆粒堆，此次實驗點火延遲為 t=0.479s 時，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，由于當粒子被點燃后，火焰就停止了蔓延，這是因為氧化物黏附在試樣表面，阻止了顆粒和氧的進一步反應，導致了金屬顆粒點火效率低?Dreizin 等人在不同的氧化條件下，對鋁粉進行加熱，得到了點燃鋁粉所需要的最小點火能量與鋁粉噴射速度之間的關系 [7]?有學者利用激光點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動規(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?采用點火絲法和激光點火紅外測溫法分析硼鎂合金的點火和燃燒過程，結(jié)果表明，MgB?具有良好的點火特性，通過兩種方法分別獲得最高點火溫度 1292K 和 1293K, 如圖 2 所示?

3.2 塊狀燃燒試驗

(1) 摩擦誘導點火試驗?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合涂層對 TC11 鈦合金燃燒產(chǎn)物的調(diào)控機制 [8-9]?Zhu 等改進摩擦點火技術(shù)提出 TiAl 合金 “內(nèi)部預氧化 + 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 擴散通道 [10]?王標等基于摩擦實驗與有限元分析證實，TC4 鈦合金擴散燃燒需靜子件熱累積條件，實測與模擬起燃溫度誤差僅 3.6%[11]?

(2) 富氧燃燒試驗?促進點燃燃燒法 (PIC) 用于評估金屬在高溫富氧環(huán)境中的自燃特性?實驗測定金屬自燃最低氣壓及對應引燃溫度?熊家?guī)浀韧ㄟ^ Cr 包覆層實驗發(fā)現(xiàn)，Cr 元素與 Al/V 共沉淀形成富 Cr-Al-V 相，抑制氧擴散及 Al-O 反應，降低 TC4 燃燒速率 [12]?邵磊等對比 TC4 與 TC11 表明，0.3~0.4MPa 氧壓下 TC4 燃燒速度更高，其液相包晶反應及元素富集效應是主因?

(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)鈦火前沿呈圓弧擴展，臨界對流傳熱系數(shù)與起始溫度呈線性關系；臨界氧分壓與初始溫度服從負指數(shù)規(guī)律 [13]?Chen 確定二次燃燒臨界參數(shù)：液滴尺寸 (d)?相對氧含量 (Pr) 和初始溫度 (T?) 符合冪律關系，并建立鈦合金臨界燒蝕統(tǒng)一經(jīng)驗模型?

(4) 直流電弧激發(fā)燃燒法?該實驗采用彎曲試樣與石墨電極通直流電點火，測定燃燒后重量 / 長度變化計算速率?Ti40 與 Ti14 阻燃鈦合金研究表明：Ti40 中 Cr/V 擴散形成 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，延長氧擴散路徑?S.Ma 等驗證 AZ80 鎂合金點火符合 Ⅲ 型模型，合金板尺寸與點火時間正相關，尺寸?熔融相變及氧化層應變?yōu)楹诵挠绊懸蛩?，如?1 所示?

表 1 顆粒燃燒行為試驗方法比較

3.3 金屬顆粒燃燒與塊狀燃燒試驗對比分析

兩種方法均采用點火方式?外界能量 (摩擦 / 熱量) 與氣體壓力升高可降低點火溫度，觸發(fā)燃燒?其機理均為氧化還原反應，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，燃燒速率快且點火易，溫度驟升且分布不均?燃燒時顆粒表面形成氧化物殼層，內(nèi)部金屬持續(xù)擴散反應，產(chǎn)物為易擴散微顆粒?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?粉末冶金及推進劑等高能釋放領域?塊狀金屬因表面積小?氧接觸受限，燃燒速率慢且點火溫度高?表面氧化層阻礙反應，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)定燃燒的場合?

4、結(jié)束語

諸多研究學者已對金屬的點燃和燃燒特性進行了詳細研究，而解決問題的關鍵在于突破其易燃特性這一瓶頸，未來研究重點包括幾個方面:

①深化金屬燃燒動力學及點火機理研究；

②結(jié)合有限元技術(shù)分析不同壓力 / 動態(tài)環(huán)境中的燃燒行為，構(gòu)建數(shù)學模型指導試驗；

③開發(fā)可控測試平臺及評價方法，解決試驗條件隨機性問題，探究環(huán)境因子對燃燒的影響機制；

④重點發(fā)展金屬燃燒預測方法，研發(fā)耐燃合金與阻燃涂層，提升材料安全性?

參考文獻

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（注，原文標題：金屬材料燃燒行為試驗研究現(xiàn)狀）

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