增材制造用鋁及鋁硅合金粉塵的爆炸特性

中圖分類號(hào)：0381;X932 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Explosion experiments utilizing a spherical explosion apparatus were conducted to investigate the explosion characteristicsof aluminumandaluminum-silicon aloypowders，prevalent in additive manufacturing.The tested samples included Al，Al-12Si，andAl-OSi.Variousparameters were measuredunder diferentinfluencing factors，includingthelower explosion limit， maximum explosion pressure， maximum pressure riserate，explosion temperature，and time toreach peak temperature.Thermogravimetric analysis-diferential scaningcalorimetrywas employedtoanalyze the thermaloxidation propertiesof the samples.The results indicated that an increase inthe silicon content within the aloy corresponded with a lower explosion limit. Conversely，the maximum explosion pressre and peak temperature showed a downward trend. Meanwhile.a reduction in the maximum presure rise rate was observed.The exothermic amount of the oxidation process reduced，and the oxidationrate slowed down.The concentrations at which the three samplesreachedthe maximum explosion pressure and peak temperature were for Al， for Al-12Si， and for Al-2oSi， respectively. When the ignitionenergy increased，therateof increase inmaximum explosion pressre for thealuminum-siliconalloys waslower han thatfor aluminumpowder.Theefect of environmental temperature changes onthelower explosive limit was less significant compared to thatofparticle size variations.As theenvironmental temperature increased，theexplosionpressuredidnotshowa significantchange，while the presureriserate increasedslightly.X-raydifractionanalysis oftheexplosion productsrevealed that， in addition to and Al， the explosion products of the aluminum-silicon alloys also contained and Si. This indicates that the Sielement in thealoy participated intheexplosionreaction Itconfirms thattheexplosionof aluminumsilicon alloypowder is caused bythe heating and vaporizationof the particles，leading tothe formation ofacombustible gas ：omposed of gaseous aluminum and silicon， which then combusts with oxygen

Keywords：aluminum aloy dust； dust explosion； explosion flame temperature；lower explosive limit； ambient temperature； maximum explosion pressure

3D 打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的一種快速成型技術(shù)，其應(yīng)用范圍橫跨眾多行業(yè)[1]。近年來(lái)，我國(guó)3D打印技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。金屬3D打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)制備方法存在的問(wèn)題[2]，但其在實(shí)際操作過(guò)程中易形成粉塵云，這些粉塵云在遇到點(diǎn)火源時(shí)可能引發(fā)爆炸事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

鋁及鋁硅合金粉塵是常用的3D打印材料之一[3]，與普通合金粉塵相比，其具有更好的球形度、更高的純凈度和更小的粒徑[4-5]，鋁硅合金有多種硅含量的配比，其中常用于3D打印的鋁硅合金粉塵有硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12 % 的Al-12Si和硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20 % 的 。粉塵的組分、種類及環(huán)境條件不同，需要制定不同的防爆設(shè)計(jì)。深入了解物料的爆炸特性，可避免由于忽略或錯(cuò)誤估計(jì)粉塵爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重性導(dǎo)致無(wú)法采取有效的防爆設(shè)計(jì)。因此，有必要進(jìn)一步探究不同粉塵的爆炸危險(xiǎn)性，并對(duì)潛在的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)保持高度重視[7]。

截至目前，學(xué)者們已經(jīng)較全面地研究了鋁粉爆炸燃燒參數(shù)以及各因素對(duì)燃爆參數(shù)的影響。不僅測(cè)試了鋁粉在不同濃度、粒徑、點(diǎn)火延遲時(shí)間等影響因素下爆炸參數(shù)的變化[8-10]，還在各種管道內(nèi)測(cè)試了爆炸參數(shù)[11-1]，并觀察了火焰結(jié)構(gòu)[13]。在探究不同因素對(duì)燃爆參數(shù)的影響時(shí)，除常見(jiàn)的影響因素外，環(huán)境溫度也是一個(gè)顯著因素[14-15]，但目前環(huán)境溫度對(duì)鋁及其合金粉塵爆炸參數(shù)的影響尚不明晰。

對(duì)于鋁合金粉塵的研究常以鋁鎂合金粉塵為研究對(duì)象。王秋紅等[采用粉塵云最低著火溫度測(cè)試裝置及 球形爆炸裝置，研究了微米級(jí)鎂鋁合金粉爆炸特性參數(shù)。Luo等[7]分析了 之間的粒度對(duì)鎂鋁合金熱特性的影響，測(cè)試了樣品的極限氧濃度和表觀活化能。以鋁硅合金粉塵為對(duì)象的研究相對(duì)較少，馬萬(wàn)太等[18]選取硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2 5 % 的高硅鋁合金粉塵進(jìn)行研究，測(cè)試了其最小點(diǎn)火能、最低著火溫度、爆炸下限和最高爆炸壓力，證明了高硅鋁合金粉塵的可爆性，并發(fā)現(xiàn)高硅鋁合金粉塵爆炸所需要的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于鋁粉。Vaz等[9]對(duì)比研究了Al和Al-Si粉塵在惰性氣體環(huán)境和氧氣環(huán)境中的熱氧化特性。Millogo等[20]研究了增材制造用鋁及部分鋁合金 AlSil 和 AIMg5在粉塵條件下的爆炸和燃燒特性。Bermard等[21]對(duì)比研究了增材制造中使用的鋁合金的著火性能和爆炸性能，選用AISi10Mg為研究對(duì)象，測(cè)試得到其最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)。孫思衡等[22]對(duì)8種增材制造粉塵的爆炸敏感程度進(jìn)行了測(cè)試并排序，發(fā)現(xiàn)TA15的敏感度最高。

綜上可知，學(xué)者們對(duì)鋁粉及其合金粉塵的爆炸特性已經(jīng)進(jìn)行了較全面的研究。通過(guò)對(duì)部分增材制造用金屬合金粉塵開(kāi)展燃燒、爆炸特性測(cè)試，證明其具有較高的危險(xiǎn)性。但對(duì)增材制造過(guò)程中常用到的不同硅含量鋁硅合金粉塵的爆炸參數(shù)的測(cè)試以及存在的差異，仍需要更加深人的研究。鑒于此，本文中，選取增材制造中常用的Al、A1-12Si、Al-20Si等3種粉塵，采用 球形爆炸裝置，通過(guò)改變粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能量和環(huán)境溫度，分析3種樣品在不同狀態(tài)下的爆炸下限及爆炸壓力、溫度參數(shù)。并通過(guò)熱重分析-差示掃描量熱法（thermogravimetric analysis-diferential scanning calorimetry，TG-DSC）和X射線衍射（X-raydifraction，XRD）對(duì)鋁及鋁硅合金粉塵爆炸機(jī)理進(jìn)行測(cè)試，為預(yù)防增材制造用鋁及鋁硅合金粉塵爆炸提供數(shù)據(jù)參考。

1實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用興榮源公司加工制造的增材制造鋁硅合金粉Al、Al-12Si、Al-20Si，選購(gòu)粒徑為 的樣品。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，鋁及鋁合金粉塵樣品均經(jīng)過(guò) 以上干燥處理。

利用馬爾文粒度分析儀（Mastersizer 2000）及掃描電子顯微鏡（Gemini360）分別對(duì)鋁及鋁合金粉塵樣品的粒度分布（particle size distribution，PSD）及表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1所示。觀察樣品掃描電鏡圖片可以發(fā)現(xiàn)，增材制造用的鋁及鋁合金粉塵樣品均呈現(xiàn)球形及衛(wèi)星形。鋁及鋁合金粉塵樣品的中位粒徑（ 分別為 2 5 . 9 6 ， 2 8 . 3 6 和 。索特平均直徑（ 能夠更準(zhǔn)確地衡量粉塵爆炸特性參數(shù)[23]，本實(shí)驗(yàn)中，3種樣品的 分別為10.906、11.435和 ，均非常接近，因此，3種樣品可進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由 球形爆炸容器、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。首先，點(diǎn)火頭由鋯粉、過(guò)氧化鋇和硝酸鋇按照質(zhì)量比為 4 ： 3 ： 3 的比例混合而成，通過(guò)導(dǎo)體連接在爆炸容器內(nèi)的2個(gè)電極上。然后，將粉塵裝入儲(chǔ)存室中， 儲(chǔ)氣罐通過(guò)高壓氣缸增壓至 ，用真空泵將爆炸容器抽真空至 ，以保證粉塵點(diǎn)燃時(shí)容器處于恒壓狀態(tài)。最后，由自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)啟電磁閥。粉塵通過(guò)半球形擴(kuò)散器由高壓空氣均勻分散到 球形爆炸容器中，形成均勻的粉塵云。延遲 的點(diǎn)火時(shí)間后，點(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)火，導(dǎo)致球形容器內(nèi)的粉塵云爆炸。使用控制系統(tǒng)的軟件處理采集得到的爆炸壓力和爆炸溫度隨時(shí)間變化的曲線，可確定該實(shí)驗(yàn)條件下的最大爆炸壓力 、最大爆炸壓力上升速率（ 和爆炸峰值溫度 。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每次測(cè)試均重復(fù)3次以上。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 爆炸特性

2.1.1 爆炸下限

為避免過(guò)驅(qū)效應(yīng)，測(cè)試爆炸下限時(shí)采用 能量點(diǎn)火頭[24]，當(dāng)爆炸超壓低于 時(shí)，即認(rèn)為爆炸未發(fā)生。選取粒徑和環(huán)境溫度2個(gè)影響因素作為變量，對(duì)Al、Al-12Si、Al-20Si等3種樣品的爆炸下限進(jìn)行測(cè)試。在環(huán)境溫度為 時(shí)，選取3種樣品的粒徑為22、30和 的篩下物進(jìn)行測(cè)試；當(dāng)粒徑為 時(shí)，選取環(huán)境溫度為 進(jìn)行測(cè)試。

粒徑和環(huán)境溫度對(duì)爆炸下限的影響分別如圖3和4所示，其中 ρ 為粉塵云質(zhì)量濃度。由圖 可知，3種樣品的爆炸下限由高到低依次為Al-20Si、Al-12Si、Al，且隨著粒徑的減小和環(huán)境溫度的升高，爆炸下限均呈降低趨勢(shì)，粒徑對(duì)爆炸下限的影響大于環(huán)境溫度。當(dāng)Al-12Si粉塵的粒度從 降低到 時(shí)，爆炸下限降低了 4 1 . 7 % ；當(dāng)環(huán)境溫度從 上升到 時(shí)，爆炸下限降低了 2 0 . 0 % 。

對(duì)上述結(jié)果的分析認(rèn)為：粒徑小的粒子具有更大的比表面積，使得更多顆粒能夠與氧氣接觸，從而促進(jìn)燃燒反應(yīng)進(jìn)行；燃燒反應(yīng)速率加快，釋放的熱量相對(duì)更多，粒子能夠更有效地參與反應(yīng)，提高可燃混合物的溫度，有助于引發(fā)并維持燃燒反應(yīng)；此外，小的粒子更易在空氣中擴(kuò)散，使得顆粒分布更均勻，形成更易燃的混合物。因此，爆炸下限隨粒徑的變小而降低。

根據(jù)熱爆炸理論對(duì)粉塵爆炸機(jī)理的分析[25]，高溫會(huì)使得反應(yīng)速率常數(shù) ，其中 A 為頻率因子， 為指數(shù)因子， E 為反應(yīng)的活化能， R 為氣體常數(shù)， 為環(huán)境溫度）增大，指數(shù)因子 變大，熱反應(yīng)速率提高，則達(dá)到熱爆炸狀態(tài)所需的最小反應(yīng)物濃度即爆炸下限會(huì)降低。熱爆炸判據(jù)表示為：

式中： 為粉塵爆炸下限， d 為以點(diǎn)火源為中心的均溫系統(tǒng)半徑， 為消耗每摩爾物質(zhì)產(chǎn)生的熱量， 為氧氣的質(zhì)量濃度， 為顆粒粒徑， 為粉塵密度， X 為傳熱系數(shù)， s 為反應(yīng)器與周圍環(huán)境相接觸的表面積。

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，爆炸下限會(huì)降低。該理論假設(shè)的環(huán)境與實(shí)驗(yàn)環(huán)境基本一致，可為分析本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供依據(jù)。

2.1.2粉塵濃度對(duì)最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的影響

利用 能量點(diǎn)火頭[26]，分別選取粉塵云質(zhì)量濃度為 1 5 0 ， 3 0 0 ， 4 5 0 ， 6 0 0 ， 7 5 0 ， 9 0 0 和 對(duì)3種樣品的爆炸特性進(jìn)行研究。粉塵云質(zhì)量濃度對(duì)3種樣品爆炸特性的影響如圖 所示。

從圖 可以看出，隨著質(zhì)量濃度的增加，3種樣品的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；A1、A1-12Si和A1-20Si達(dá)到最大爆炸壓力峰值時(shí)的質(zhì)量濃度分別為300、750和 ，對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力分別為0.758、0.678和 ；A1的最大爆炸壓力上升速率變化最大，且遠(yuǎn)大于鋁硅合金。圖7顯示了3種樣品在 、粒徑為 時(shí)的壓力-時(shí)間變化曲線。其中A1的最大爆炸壓力最大，隨著硅含量的增加，合金粉塵達(dá)到最大爆炸壓力所需的時(shí)間變長(zhǎng)，最大爆炸壓力上升速率隨之變小。

對(duì)上述觀察的分析如下：當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度低于最大爆炸壓力峰值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度時(shí)，處于富氧環(huán)境；

隨著粉塵云質(zhì)量濃度的增加，由于球罐為密閉的有限空間，單位空間內(nèi)有效顆粒數(shù)隨之增多，導(dǎo)致最大爆炸壓力增大；當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度達(dá)到最大爆炸壓力峰值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度時(shí)，粉塵與氧氣的質(zhì)量濃度比達(dá)到最優(yōu)，反應(yīng)最充分完全，最大爆炸壓力達(dá)到最大值；當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度繼續(xù)升高超過(guò)該質(zhì)量濃度后，環(huán)境中的氧氣開(kāi)始不足，過(guò)多未參與反應(yīng)的粉塵會(huì)吸收反應(yīng)熱，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，最大爆炸壓力開(kāi)始下降，呈負(fù)相關(guān)。

從耗氧量角度分析，根據(jù)反應(yīng)式 ）與摩爾質(zhì)量比得出，同等質(zhì)量下硅粉的耗氧量（每1g硅消耗 氧氣）較高，而鋁粉的耗氧量?jī)H為硅粉耗氧量的 78 % 。因此，在同一容器內(nèi)，相同質(zhì)量濃度的鋁粉比鋁硅合金粉塵的可燃粒子多，反應(yīng)物增多，隨著硅含量的增加，可燃粒子的數(shù)量減少，反應(yīng)物數(shù)量減少，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率也隨之減小。

值得注意的是，由于 球罐的容積有限，罐中的氧氣約為 ，理論上可以維持 鋁粉完全燃燒，即質(zhì)量濃度為 的鋁粉，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。當(dāng)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12 % 時(shí)，鋁硅合金處于共晶狀態(tài)，是形成金屬鍵連接的一種均勻混合物，保留部分原有的金屬性質(zhì)。按照反應(yīng)式與摩爾質(zhì)量比計(jì)算得出， 氧氣可維持 合金粉塵完全燃燒，即質(zhì)量濃度為 的Al-12Si；在硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 % 時(shí)，鋁硅合金處于過(guò)共晶狀態(tài)，合金中除鋁硅共晶外還有硅初晶[27]。按照反應(yīng)式與摩爾質(zhì)量比計(jì)算得出， 氧氣可維持 鋁硅合金粉塵完全燃燒，即質(zhì)量濃度為 的Al-20Si，均高于鋁粉的質(zhì)量濃度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同，但數(shù)值不符。這是由于鋁被加熱時(shí)的熱膨脹系數(shù)大于其氧化物，鋁顆粒在受熱過(guò)程中很容易出現(xiàn)裂紋[28，因此，表面氧化膜更容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致核心更早熔化致使被點(diǎn)燃。當(dāng)硅含量增加時(shí)，需要吸收更多熱量才能使其表面的氧化膜破裂，從而被點(diǎn)燃并引發(fā)爆炸。此外，鋁是一種非常活潑的金屬，在燃燒過(guò)程中，鋁粉與氧氣迅速反應(yīng)生成氧化鋁，放出的熱量超過(guò)鋁硅合金粉與氧氣反應(yīng)放出的熱量[19]，當(dāng)硅含量增加時(shí)，整體反應(yīng)的劇烈程度降低，導(dǎo)致壓力峰值和最大壓力上升速率下降。且硅與氧氣的反應(yīng)速率相對(duì)較慢[29]，即使有相同的氧氣供給，硅的燃燒過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成，使得體系內(nèi)壓力上升較緩慢。因此，隨著硅含量的增加，鋁硅合金粉塵達(dá)到最大爆炸壓力所需要的質(zhì)量濃度也會(huì)增加，同時(shí)也導(dǎo)致鋁硅合金的最大爆炸壓力上升速率遠(yuǎn)小于純鋁粉。

2.1.3點(diǎn)火能量對(duì)最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的影響

鑒于3種樣品達(dá)到最大爆炸壓力的峰值質(zhì)量濃度不同，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具代表性，并準(zhǔn)確反映Al、Al-12Si和Al-20Si粉塵的相對(duì)危險(xiǎn)性，選擇 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用 能量的點(diǎn)火頭對(duì)3種粉塵進(jìn)行測(cè)試，以探究點(diǎn)火能量對(duì)3種樣品的爆炸特性的影響，分別如圖8和9所示。可以看出，3種樣品的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均隨點(diǎn)火能量的升高而增大。其中，鋁硅合金粉最大爆炸壓力的增幅大于純鋁粉，Al、Al-12Si和Al-20Si樣品的最大爆炸壓力分別增加了 8 6 . 8 % 7 1 6 6 . 9 % 和2 0 6 . 8 % 。3種樣品的最大爆炸壓力在點(diǎn)火能量為 時(shí)達(dá)到最大，分別為 、 （Al-12Si）和 。點(diǎn)火能量為 時(shí)，Al-20Si未發(fā)生爆炸。

在較高的點(diǎn)火能量下，影響爆炸壓力的主要因素是增大的點(diǎn)火能量。較高的點(diǎn)火能量擴(kuò)大了有效點(diǎn)火區(qū)域，使更多鋁硅合金粉塵顆粒被點(diǎn)燃，并提高了反應(yīng)體系的溫度。同時(shí)，這也縮短了顆粒的著火弛豫時(shí)間，促使更多顆粒在更短的時(shí)間內(nèi)燃燒[30]，進(jìn)而加速了反應(yīng)過(guò)程。由于反應(yīng)速率大大加快，通過(guò)罐壁熱傳導(dǎo)和熱輻射方式損失的熱量減少，使更多的熱量用于提高反應(yīng)溫度，維持爆炸反應(yīng)。此外，高點(diǎn)火能量誘發(fā)的湍流進(jìn)一步提高了整個(gè)體系內(nèi)鋁硅合金粉塵的燃燒速率，使得更多粉塵參與燃燒反應(yīng)最終導(dǎo)致最大爆炸壓力增大。

隨著硅含量的增加，合金粉塵顆粒外包覆的氧化層更不易發(fā)生破裂，在相同點(diǎn)火能量和質(zhì)量濃度下，未參與反應(yīng)的顆粒基數(shù)更大。因此，當(dāng)點(diǎn)火能量增加時(shí)，鋁硅合金粉塵的被點(diǎn)燃顆粒數(shù)增加，反應(yīng)物總量增加導(dǎo)致爆炸后氣體膨脹產(chǎn)生的壓力升高，致使鋁硅合金粉最大爆炸壓力的增幅大于純鋁粉。

2.1.4環(huán)境溫度對(duì)最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的影響

利用 能量點(diǎn)火頭[26]，在 的條件下，利用恒溫水浴控制系統(tǒng)，對(duì)3種樣品在環(huán)境溫度分別為15、25、35、45和 進(jìn)行測(cè)試，以探究環(huán)境溫度對(duì)3種樣品最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的影響，結(jié)果分別如圖10和11所示。可以看出， 、點(diǎn)火能量為 時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)3種樣品的最大爆炸壓力無(wú)明顯影響，但3種樣品的最大爆炸壓力上升速率隨環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，在環(huán)境溫度為 時(shí)達(dá)到最大，分別為 A1）、 （Ai-12Si）和 （Al-20Si）。

根據(jù)熱爆炸理論和粉塵爆炸熱爆炸判據(jù)公式[25]，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致殼體表面的熱流量減少，影響熱傳遞，并造成殼體內(nèi)部溫度升高，爆炸的反應(yīng)速率和熱量產(chǎn)生速率增加。盡管爆炸壓力上升速率增大，但由于反應(yīng)物總量不增加，生成的熱量也不會(huì)有所增加。因此，爆炸后氣體膨脹產(chǎn)生的壓力大小不會(huì)改變，從而導(dǎo)致最大爆炸壓力變化不大。

2.1.5不同硅含量對(duì)爆炸溫度的影響

爆炸溫度是評(píng)價(jià)爆炸反應(yīng)強(qiáng)度的重要參數(shù)。使用精密熱電偶（溫度范圍為室溫至 ）測(cè)量爆炸過(guò)程中的溫度演變，并利用溫度補(bǔ)償公式對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除熱慣性的影響[31]。利用 能量點(diǎn)火頭[2測(cè)試粉塵云質(zhì)量濃度對(duì)3種樣品爆炸溫度的影響。

圖12展示了3種樣品在不同質(zhì)量濃度下的爆炸峰值溫度 和達(dá)到爆炸峰值溫度的時(shí)間 。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，所有公式的決定系數(shù) 均大于0.99，表明數(shù)據(jù)和回歸曲線之間具有很強(qiáng)的擬合度。3種樣品達(dá)到最大爆炸峰值溫度的質(zhì)量濃度與達(dá)到其最大爆炸壓力的質(zhì)量濃度相同，最大值分別為 （A1）、 （A1-12Si）和 。由于精密熱電偶的響應(yīng)速度不足，測(cè)得的爆炸溫度實(shí)際為爆炸產(chǎn)物溫度，因此，低于實(shí)際火焰溫度。達(dá)到爆炸峰值溫度的時(shí)間與爆炸峰值溫度的變化呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)爆炸峰值溫度隨質(zhì)量濃度的增大而上升時(shí)，達(dá)到爆炸峰值溫度的時(shí)間隨之下降。

2.2 爆炸機(jī)理分析

利用同步熱分析儀測(cè)試的數(shù)據(jù)繪制熱重-導(dǎo)數(shù)熱重-差示掃描量熱法（TG-DTG-DSC）曲線，分析3種樣品在空氣氛圍下的氧化行為，溫度范圍為 ，升溫速率為 ，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明，3種樣品的氧化可分為3個(gè)階段。第1階段在 之前，為緩慢氧化階段，樣品質(zhì)量增長(zhǎng)不明顯。這是因?yàn)椋诔Ｒ?guī)存放的鋁合金表面都有天然的無(wú)定型氧化鋁保護(hù)層，可防止其繼續(xù)氧化；第2階段在 左右，為快速氧化階段，在此階段出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰，這是由于鋁及鋁硅合金核心熔化，吸收大量熱量，氧化速率也隨之增大；第3階段為熔融氧化階段，溫度位于 之間，該階段樣品劇烈燃燒，放出大量熱，質(zhì)量也急劇增加。由圖13可知，隨著硅含量的增加，第3階段的起始溫度小幅降低，但放熱量明顯減少，DTG峰值

減小，說(shuō)明樣品的氧化速率減小，燃燒劇烈程度降低，進(jìn)而影響了爆炸劇烈程度，與爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

對(duì)鋁及鋁硅合金的爆炸殘留物進(jìn)行XRD分析，圖譜如圖14所示。結(jié)果表明，鋁硅合金的爆炸殘留物中，除與鋁粉爆炸殘留物相同的 Al外，還有 和Si，證明合金中的硅元素也參與了反應(yīng)。隨著硅含量的增加，爆炸殘留物中 的含量也隨之增加， 的含量小幅減少，說(shuō)明合金中硅含量的變化會(huì)顯著影響爆炸反應(yīng)的產(chǎn)物組成和反應(yīng)機(jī)制。通過(guò)爆炸產(chǎn)物表征與爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷出鋁硅合金粉爆炸反應(yīng)的過(guò)程，如圖15所示。圖中，A1-Si（S）和A1-Si（L）分別表示鋁硅合金的核心處于固體和液體狀態(tài)。反應(yīng)開(kāi)始前，樣品粉塵通過(guò)負(fù)壓從儲(chǔ)粉倉(cāng)噴入球形容器

形成粉塵云；化學(xué)點(diǎn)火頭被引燃后，反應(yīng)區(qū)釋放的熱量為顆粒加熱，合金粉所含的水分開(kāi)始蒸發(fā)，表面開(kāi)始氧化反應(yīng)，如圖15（b）所示。到達(dá)一定溫度后，氧化鋁和氧化硅組成的氧化膜熔化。此時(shí)部分懸浮的熔化后變?yōu)橐簯B(tài)的鋁硅合金顆粒受熱汽化，形成由氣態(tài)鋁和氣態(tài)硅組成的可燃?xì)怏w[32]。這些可燃?xì)怏w加熱到一定限度后沖破氧化膜，與空氣中的氧氣混合燃燒，放出熱量，熱量以熱傳導(dǎo)和火焰輻射的形式傳遞給懸浮的鋁硅合金顆粒，使燃燒循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，如圖15（c）所示。隨著每個(gè)循環(huán)的進(jìn)行，反應(yīng)速度加快，通過(guò)劇烈燃燒導(dǎo)致爆炸；反應(yīng)結(jié)束后，氧化鋁及氧化硅堆積在顆粒表面，氧化層有明顯破裂痕跡[3]，如圖15（d）所示。

3結(jié)論

采用 球形爆炸裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了封閉空間內(nèi)的增材制造用Al、A1-12Si、AI-20Si等3種樣品的爆炸特性，結(jié)合熱氧化特性測(cè)試，并對(duì)爆炸產(chǎn)物進(jìn)行了XRD測(cè)試，得到如下主要結(jié)論。

（1）隨著硅含量的增加，鋁硅合金粉塵的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸溫度下降，爆炸敏感質(zhì)量濃度及爆炸下限升高，爆炸危險(xiǎn)等級(jí)降低，但仍具有爆炸危險(xiǎn)。

（2）當(dāng)點(diǎn)火能量增加時(shí)，鋁硅合金的最大爆炸壓力上升速率的增幅低于鋁粉。環(huán)境溫度變化對(duì)樣品爆炸下限的影響小于粒徑變化帶來(lái)的影響。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，爆炸壓力未顯示出顯著變化，爆炸壓力上升速率小幅增加。3種樣品的爆炸峰值溫度和最大壓力與質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，到達(dá)峰值溫度的時(shí)間隨粉塵云質(zhì)量濃度的升高先減小后增大。

（3）隨著硅含量的增加，鋁硅合金熱氧化過(guò)程的熔融氧化階段的起始溫度小幅降低，但放熱量明顯減少，說(shuō)明氧化速率減小，燃燒劇烈程度降低，進(jìn)而影響了爆炸劇烈程度。

（4）鋁硅合金的爆炸產(chǎn)物中除 A1外，還有 和Si，證明合金中的硅元素也參與了爆炸反應(yīng)。鋁硅合金爆炸是由顆粒受熱汽化形成的氣態(tài)鋁和氣態(tài)硅組成的可燃?xì)怏w與氧氣混合燃燒導(dǎo)致。

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（責(zé)任編輯 蔡國(guó)艷）