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镁科研

火焰作用下镁合金燃烧特性评估系统

发布时间：2023-06-05 作者：综合管理部

引言

研究背景

Research Background


    镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有高比强度、高阻尼、铸造性能优异等优点，在交通运输、电子通讯、航空航天等领域应用前景广阔。但镁合金的主要缺点之一是易燃烧，从上世纪八十年代开始，包括上海交通大学在内的国内外研究机构就已开展相关研究，并相继开发出系列阻燃镁合金，将镁合金熔体的燃点提高到1000℃以上。在熔体氧化过程中，镁合金熔体处于相对静止状态，形成的表面氧化膜较为均匀，易对镁蒸气的扩散起到阻碍作用。但镁合金零件起燃导致的火灾90%以上都发生于火焰加热工况下，相比于熔体氧化，火焰作用下的固态镁合金需要承受动态冲击，更易发生起燃，而目前对火焰作用下镁合金起燃与扩展的认识却较为缺乏。


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研究进展

Research Progress



    目前关于火焰作用下镁合金燃烧特性的评价标准主要来源于FAA咨询通告AC20-135适航防火条款，用于评价镁合金的耐火性，其具体为：采用热电偶耙将火焰温度校准为1093℃±65.6℃，然后调节燃烧器开始点火测试，若镁合金在火焰作用15min后不起燃且仍能完成其设计目标的性能，则通过测试。实际上，镁合金的燃烧特性包括起燃和扩展特性，而其起燃特性是人们尤为关注的部分，镁合金在多少度下可以点燃，直接关系到其服役表现。起燃温度是评价镁合金阻燃性能的关键参数之一，但目前却缺乏火焰作用下镁合金燃点的测试标准，这主要有以下难点：

    温度测试主要有接触式和非接触式两种。在火焰作用下，镁合金样品表面会因氧化程度不同而呈现不同颜色，这导致其发射率不停改变（发射率是物体实际发射的红外能与其理论值的比率）；也会因为受热熔化而变形，表面状态的变化将使得样品对红外辐射产生不同程度的散射或反射而干扰红外测温结果。而常用非接触式的红外测温设备需要在恒定发射率状态下进行测温，无法在测温过程中实时调节，故镁合金在受热起燃过程中的状态变化会使得红外测温设备测得的温度值远远偏离于样品实际温度。

    接触式的热电偶测温也具有很大难度。采用火焰加热镁合金样品时，其起燃点通常靠近火焰加热一侧，但若将热电偶放置于样品受热正面，势必会受到火焰干扰，测定的温度远高于样品温度，其温升曲线也与样品温升不一致；若将热电偶放置于样品背面，则当样品正面一侧起燃时，其所测定的温度将远低于燃点。

    为了研究火焰作用下镁合金的燃烧特性，上海交通大学曾小勤教授团队的胡波博士后和李德江研究员联合南昌大学刘勇教授团队设计搭建了镁合金燃烧特性评估系统（专利202210080880.2），该系统相比于普通火焰点燃装置，具有样品形状多样化、可批量实验、燃点测试、燃烧过程全程监控、产物收集、尾气处理等功能优势。如下图所示，本装置因底部装有滑轮而便于移动，两面留门便于装卸样品及热电偶，三面留有观察窗便于实时观测样品加热状态及燃烧扩展过程。本系统夹持装置可夹持不同大小的板状、条状、圆柱形等样品，便于研究样品几何尺寸对镁合金燃烧行为的影响。此外，本试验平台配备6个样品工位，可同时进行6组试验，大大提高实验效率。如下图所示，每次测试采用两根热电偶进行测温，可显著提高测温准确率；加热及燃烧过程中同步进行视频录像，结合视频图像和温度曲线可分析不同时间下样品状态变化的内在机理。此外，样品下方配备燃烧产物收集装置，可有效收集燃烧掉落的产物以防止熔融液体飞溅造成损害，实验结束后可打开烟尘收集过滤装置对尾气进行处理。本系统目前只能评估常温常压下镁合金的燃烧特性，在后续升级改造过程中将配备可模拟不同工况的环境模拟装置，以研究环境压力、环境气体、氧气浓度、气体流速等对镁合金燃烧行为的影响。


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    本系统旨在实现镁合金实际服役工况下燃烧行为的智能化研究，本团队前期已详细研究了典型镁合金的起燃过程和扩展过程，初步探清了镁合金的火焰点燃机理和燃烧扩展机理，并建立了相应的数学模型，结合采集的温度曲线等数据可智能化输出镁合金样品的起燃时间、起燃温度、燃烧扩展速率等特性参数。该数学模型已得到专业燃烧仿真公司的认可，拟于ANSYS旗下的Fluent软件二次开发时进行合作并开发镁合金燃烧板块。





    针对难以测定火焰作用下镁合金起燃温度的问题，采用内置热电偶的方式进行测温，有效避免了火焰对热电偶的干扰。下图是采用该方法测定商用AZ80镁合金燃点的温度曲线及相应视频截图，可以发现，受热初期，热电偶所测位置样品温度上升较快（固态升温），而随后镁合金开始熔化吸收大量热，其温度上升较为缓慢。在加热时间为45s时，镁合金在火焰加热作用下起燃，其剧烈氧化燃烧产生大量热而使得样品温度急剧上升，其中温度转折点即为镁合金燃点，即AZ80镁合金燃点为600.2°C。随后关闭加热火焰，而54s时镁合金自身燃烧产生的火焰加热热电偶而使得所测温度进一步升高，当自身火焰稳定时，可以看到，60s时热电偶所测得的火焰温度约为1000°C。


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    本工作是在国家科技重大专项（J2019-Ⅷ-0003-0165）和国家重点研发计划（2021YFB3501002）等项目的支持下进行研究，镁合金燃烧特性评估系统的搭建和火焰作用下镁合金燃点的测试拓宽了阻燃镁合金的研究方法，有望推进阻燃镁合金研究向更接近真实服役工况方向发展。


(合金科技）


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