几何参数对镁合金零件燃烧特性的影响

Influence of geometrical parameters on combustion characteristics of magnesium alloy components

摘要

以ZM5、ZM6和WE43三种商用镁合金样品为研究对象，探讨板材厚度、横截面形状、连接方式（包括连接角度、弧度和位置）等关键几何特征参数对镁合金零件燃烧特性的影响规律。结果表明：增加板材厚度可正比例延长点燃时间；圆形横截面的棒材样品因具有最大S/l_{\mathrm{c}}（横截面面积\mathrm{与}横截面周长比）而表现出最低的火焰传播速率，具有最佳的阻燃效果；连接角度越接近90°、连接弧线的曲率越大、连接位置越居中，其阻碍火焰传播的效果越明显。因此，为研究复杂镁合金零件的燃烧特性，在对其进行简化时应当提取板材厚度、横截面形状、连接方式等关键特征参数，从而真实反映复杂零件的燃烧特性，为镁合金零件的防火设计和复杂零件燃烧模拟件的简化设计提供理论依据。

Abstract

Taking ZM5， ZM6， and WE43 commercial magnesium alloy samples as research objects， the influence of key geometric parameters such as plate thickness， cross-sectional shape， and connection method （including angle， radian， and position） on the combustion characteristics of Mg alloy components is investigated. The results show that increasing the thickness of plates proportionally extends ignition time； rod samples with a circular cross-section exhibit the lowest flame propagation rate due to their maximum S/l_{\mathrm{c}}(ratio of cross-sectional area to cross-sectional circumference）， demonstrating the best flame resistance； the closer the connection angle is to 90°， the greater the curvature of the connection arc， and the more central the connection position， the more effective the inhibition of flame propagation. Therefore， to investigate the combustion characteristics of complex Mg alloy components， it is essential to extract key characteristic parameters such as plate thickness， cross-sectional shape， and connection method （angle， radian， and position） during the simplification process， thereby faithfully reflecting the combustion behavior of these components. These findings provide a theoretical basis for the fireproof design of Mg alloy components and the simplified design of combustion simulation for complex Mg alloy components.

Graphical abstract

关键词

镁合金零件 / 燃烧特性 / 几何参数 / 防火设计

Key words

magnesium alloy component / combustion characteristic / geometrical parameter / fireproof design

镁在地壳中的含量居第8位，约占地壳组成的2.5%，拥有巨大的资源量^［1-2］。镁的密度仅有1.7 g/cm³，是铝的2/3^［3］、钢的1/4^［4］，并兼具比刚度和比强度高、电磁屏蔽性好、易回收利用等优点，是汽车制造、电子通信、航空航天等领域结构零件减重的理想金属材料^［5-6］。据统计，用镁合金零件替代铝零件可以实现约30%的减重^［7］，而汽车自重每减少100 kg，百公里油耗可降低约0.7 L^［8］，而商用飞机相比于汽车，轻量化带来的油耗节省效果将提升近100倍^［9］。但与此同时，镁合金易氧化燃烧的特点却使人们对镁合金零件服役的安全性产生担忧，镁也一度被禁止用于机舱内的所有部件^［10-11］。直至2015年，美国联邦航空管理局在评估一些阻燃镁合金后解除了该禁令，并允许其用于飞机座椅结构，这一重要变化再次为镁合金应用提供了机会。因此，全面研究镁合金的火灾行为、丰富防火设计理论，对镁合金零件的安全服役至关重要^［12-13］。

镁合金材料自身的阻燃性能显著影响镁合金零件的火灾行为。合金化是提高材料自身阻燃性能的常用方法，一方面，合金元素的加入可能形成高固溶的镁合金，当这种合金元素活性较高时，能够优先发生氧化，形成P-B比（Pilling-Bedworth）介于1~2的致密氧化膜，阻碍进一步的氧化，从而提高合金的点燃温度^［14-15］。例如，Y在Mg中的极限固溶度较大，约为12.4%（质量分数，下同），同时易在镁合金表面富集和优先氧化，并形成致密的氧化膜，添加超过10%的Y后，镁合金的燃点可显著提升到900 ℃以上^［16-18］。另一方面，合金元素的加入可能会形成高熔点第二相，对提高合金的阻燃性能起到积极作用^［19］。Inoue等^［20］研究发现高Ca含量的Mg-10Al-5Ca（原子分数/%）燃点高达1163 ℃，这不仅归功于Ca促进致密氧化膜的生成，还与晶界析出的大量高熔点Al₂Ca相（熔点为1079 ℃^［21］）有关。

镁合金零件的火灾行为不仅取决于材料自身的阻燃性能，还与零件的几何尺寸密切相关。研究表明，镁合金样品的点燃温度和时间受样品厚度的影响^［13］，横截面形状和倾角则显著改变火焰传播速率，进而影响零件整体的燃烧特性^［22-23］。然而，现有研究主要聚焦于通过合金成分设计来提升阻燃性能，而对零件尺寸与其阻燃性能间的相互联系缺乏关注，这既难以为镁合金零件的防火设计提供全面的理论指导，也无法充分确保其安全服役。此外，在交通运输、航空航天等领域应用时，需要对零件的燃烧特性进行评估以保障其安全服役。然而，一些重要零件如机匣、减振塔、副车架等往往具有复杂的结构和庞大的体型，这使得其燃烧特性数据的获取极为困难。因此，确立复杂零件的简化依据以设计燃烧模拟件，有助于切实可行地评估复杂零件的燃烧特性。本工作以ZM5（Mg-8.5Al-0.5Zn-0.2Mn）、ZM6（Mg-2.7Nd-0.6Zr-0.4Zn）、WE43（Mg-4.0Y-3.3Nd-0.5Zr）三种商用镁合金样品为研究对象，阐明样品厚度、横截面形状、连接方式（包括连接角度、弧度和位置）等复杂零件的几何特征参数对镁合金火焰点燃及燃烧扩展的影响规律，为燃烧模拟件设计提供简化依据，丰富镁合金零件的防火设计理论。

1 实验材料与方法

复杂零件由板、加强筋、连接条等部件组成，因此，可考虑将复杂零件分解为更简单的结构单元，如板和棒，并考虑厚度、横截面形状、结构单元间的连接方式（如角度、弧度、位置）等几何特征参数，研究不同几何尺寸对镁合金燃烧特性的影响^［24-25］。对于板厚度的影响，采用3 mm×64.6 mm×64.6 mm（厚度×长度×宽度）、5 mm×50 mm×50 mm、7.5 mm×40.8 mm×40.8 mm、10 mm×35.4 mm×35.4 mm和14.6 mm×29.3 mm×29.3 mm五种等体积（均为12500 mm³）的样品进行研究；对于棒横截面形状的影响，采用3 mm×20 mm×100 mm、5 mm×12 mm×100 mm、7.75 mm×7.75 mm×100 mm和Φ8.74 mm×100 mm四种等长等横截面面积（均为60 mm²）的样品进行研究；对于结构单元间连接方式的影响，采用图1所示的样品进行研究；对于连接角度\alpha的影响，采用180°、150°、120°、90°和60°的样品进行研究，样品竖直部分与偏转部分的体积比（3∶2）保持恒定，厚度均为3 mm，体积和宽度均相同，其余参数如图1（a）所示；设计研究连接弧度的样品示意图如图1（b）所示，样品分为直线型连接和弧线型连接，依次命名为Shape A、Shape B、Shape C、Shape D、Shape E，其中Shape C和Shape E的弧线曲率半径R分别为575.88 mm和200 mm，所有样品总体积恒定为600 mm²，厚度均为3 mm，高度均为100 mm；设计研究连接位置的样品包括居中、居中靠右、居中贴边和角落处四种，尺寸参数示意图如图1（c）所示。

利用线切割方法从ZM5、ZM6和WE43合金挤压板（挤压比为9.4∶1）上获得不同形状的样品，每种形状至少获取5个有效实验结果，以排除偶然因素的干扰。采用燃料为丁烷的火焰喷枪进行燃烧测试，火焰温度为1150~1250 ℃，火焰热流为191 kW/m²，加热直径为25 mm，加热距离为60 mm。研究板厚度的影响时，加热位置位于样品中心；研究其他参数时，加热位置均位于样品底端。

2 结果与讨论

2.1 板材厚度

图2为尺寸为3 mm×64.6 mm×64.6 mm的ZM5、ZM6和WE43合金样品的燃烧过程。如图2（a）所示，ZM5合金样品受到火焰加热后主要经历氧化、熔化、氧化膜破裂和点燃等过程。当样品接收来自火焰的热量后温度不断升高，到达合金固相线以上温度后开始发生局部熔化，样品表面发生变形。而随着加热时间的延长，熔化产生的液相越来越多，受到重力作用产生一定程度的向下流动，并被表面的氧化膜所包裹。当加热时间达到63 s时，合金熔化量超过氧化膜的包裹极限，样品中心区域开始产生裂纹，促进进一步的氧化。当加热时间为77 s时，加热中心区域不断产生火星。当加热时间为80 s时，氧化膜破裂诱发点燃。

ZM6和WE43合金样品的燃烧过程与ZM5合金基本相似，不同之处在于样品熔化后，氧化膜能够包裹更多的液体而不发生破裂，从而延缓镁合金的点燃。这是由于稀土元素的加入改善了氧化膜的致密性，从而使得其能够承受更大的重力作用^［26-27］。此外，ZM6和WE43合金样品的点燃时间显著长于ZM5合金，分别为148 s和180 s，这与氧化膜致密度的提高有关^［28-29］。

当样品厚度远小于加热深度且内部传热较快时，固体材料可近似认为没有内部温差，这类固体材料被称为热薄型固体^［30］。镁合金具有较高的导热系数^［31］，多数情况下可以被视为热薄型固体，对于采用单侧加热的样品，其点燃时间t_{\mathrm{i}\mathrm{g}}为^［32］：

t_{\mathrm{i}\mathrm{g}}\approx \frac{\rho c_p\left(T_{\mathrm{i}\mathrm{g}}-T_{\mathrm{\infty }}\right)}{{\dot{q}}_{\mathrm{e}}^{″}}b（1）

式中：\rho为密度；c_p为比热容；T_{\mathrm{i}\mathrm{g}}为点燃温度；T_{\mathrm{\infty }}为环境温度；{\dot{q}}_{\mathrm{e}}^{″}为火焰加热的热通量；b\mathrm{为样}\mathrm{品厚}\mathrm{度}。

图3为ZM5、ZM6和WE43合金样品的点燃时间随样品厚度的变化曲线。当火焰完全作用在样品表面时，即火焰加热区域全部落在样品的受热面时，正如式（1）所示，三种合金样品的点燃时间与厚度成正比，其斜率与合金材料的性质和加热参数有关。当加热面积一定时，随着厚度的增加，合金点燃前需要被加热至燃点的固体体积增加，从而延长了点燃时间，这使得厚的样品具备更佳的阻燃性能。因此，在镁合金零件的防火设计中，通过增加零件中板材的厚度可以有效地提高镁合金零件的阻燃性能，而在研究复杂零件的燃烧特性时，可以适当改变板材部分的大小，并应保持厚度这一特征参数不变。

2.2 横截面形状

图4为不同横截面形状的ZM5合金在点燃90 s后的燃烧状态及三种合金样品的火焰扩展时间（t）。对于等截面面积的同种合金样品，其横截面形状主要影响燃烧扩展速率。如图4（a）~（d）所示，不同横截面形状的ZM5合金样品燃烧扩展相同时，横截面为3 mm×20 mm的样品燃烧扩展的距离最长，火焰传播速率最快，而圆形横截面试样燃烧的距离最短，具有最低的火焰传播速率，其阻燃效果最佳。这些样品的区别在于横截面面积S与横截面周长l_{\mathrm{c}}不同，基于此，推导出可预测棒状镁合金样品火焰扩展时间的数学模型^［22］：

t=\frac{L}{{\delta }_{\mathrm{f}}}{t}_{\mathrm{f}}=\frac{L\rho ∆H}{{\delta }_{\mathrm{f}}{\dot{q}}_{\mathrm{f}}^{″}}\frac{S}{l_{\mathrm{c}}}=C\frac{S}{l_{\mathrm{c}}}（2）

式中：L为样品总长度；{\delta }_{\mathrm{f}}为样品尖端燃烧产生的火焰高度；t_{\mathrm{f}}为火焰传播{\delta }_{\mathrm{f}}距离所需的时间；∆H为将火焰尖端区域内单位质量的样品从初始温度加热至点燃温度所需的能量；{\dot{q}}_{\mathrm{f}}^{″}为微区内样品被加热至点燃温度过程中，火焰入射对流和辐射的单位面积平均热通量；C为常数，与合金材料的性质和加热参数有关。

对于同等长度的棒状镁合金样品而言，其t与S/l_{\mathrm{c}}成正比，如图4（e）所示^［22］。圆形横截面样品的S/l_{\mathrm{c}}最大，也具有更好的阻燃性能，甚至可以熄灭火焰。S/l_{\mathrm{c}}可以指导镁合金零件的几何尺寸设计，同时以此为关键特征参数简化镁合金复杂零件，为镁合金结构件的防火设计提供新的思路。

2.3 连接角度

复杂零件中板和棒的连接往往存在不同的连接角度，这显著影响燃烧时的火焰扩展。图5为样品燃烧示意图及不同连接角度的火焰有效加热比例r、切应力系数和剩余长度l_R。如图5（a）所示，在点燃初期，样品底部发生燃烧，产生的火焰持续加热样品上端，而火焰宽度往往大于样品宽度，因此定义火焰宽化系数k为：

k=\frac{a}{d}（3）

式中：a为火焰单侧超出样品的宽度；d为样品宽度。结合实验的统计结果，本工作中的火焰宽化系数约为0.5。在燃烧中后期，样品的竖直部分发生充分燃烧，火焰开始向转弯方向扩展。对于\alpha为180°的样品，下部产生的火焰足够对上端未燃部分进行加热，而对于\alpha为60°~150°的样品，竖直部分燃烧产生的火焰无法充分加热样品上端未燃部分，特别是90°的样品，火焰需要横向扩展，更多依赖火焰的宽化部分对未燃部分进行加热。因此，连接角度的不同主要影响火焰对未燃固体部分的预先加热程度^［23］，这与样品受火焰加热的有效面积有关。因此，以180°样品为参照对象，可定义r为：

（4）

式中：S_{\mathrm{1}}为本体火焰的加热区域面积；S_{\mathrm{2}}为宽化区火焰的加热区域面积；S_{\mathrm{0}}为\alpha =\mathrm{180}°样品上端未燃部分的面积，占样品初始状态总面积的\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{5}}。因此，根据式（4），°样品的火焰有效加热比例为100%，在30°~150°范围内，随着连接角度的增加，火焰有效加热比例先降低后增加，90°样品的火焰有效加热比例最低，本实验条件下其值为37.5%。

当偏转角度越接近90°，火焰沿转弯方向的传播越困难，样品的燃烧扩展越难以持续，从而使得火焰发生自熄灭。样品燃烧后存在剩余长度，这一剩余长度与定义的火焰有效加热比例相关。如图5（b）所示，火焰有效加热比例越低，火焰的传播越困难，火焰自熄灭后样品的剩余长度也越长。此外，样品燃烧时会受到重力分量带来的切应力\tau作用。

\tau =\frac{\mathit{G}}{S}\times \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\alpha -\mathrm{90}°\right)=u\frac{\mathit{G}}{S}（5）

式中：\mathit{G}为易燃烧部分受到的重力；u为切应力系数。切应力作用使得样品在熔化后易发生掉落，火焰随着熔化部分与未燃部分脱离，进而阻隔火焰的进一步扩展。90°样品受到的切应力最大，样品最易掉落，也使得其剩余长度更短，如图5（b）和图6所示。因此，连接角度的不同不仅改变火焰的有效加热比例，还使得熔化部分受到切应力作用后的掉落概率发生变化，两方面的综合作用影响了火焰扩展的难易程度，进而影响零件的阻燃性能；特别是对于90°的样品，火焰有效加热比例最低的同时，受到的切应力最大，具有最佳的阻燃效果。

2.4 连接弧度

复杂零件中板和棒之间的连接弧线会影响火焰扩展的难度。不同连接弧度的三种合金样品的扩展时间及剩余长度如表1所示。当样品存在弧度时，燃烧扩展结束所需的总时间增加，意味着火焰传播速率降低，其原理可以用图7来解释。以火焰尖端{\delta }_{\mathrm{f}}高度的微区作为研究对象，可以认为其火焰传播坡度为一定值\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta，火焰热影响区域满足kd>{\delta }_{\mathrm{f}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta时，未燃固体区域完全被火焰包裹，燃烧易沿着火焰传播方向扩展，而当时，火焰无法包裹受加热区域的宽度，燃烧难以扩展。当坡度增加到一定程度后，火焰发生自熄灭。

不同形状燃烧熄灭后的样品图如图8所示。直线型样品Shape D未完全扩展燃烧，而存在一定的剩余长度，如图8（a）所示。对于弧线型样品，圆弧的曲率半径R越小，对应的坡度\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta越大，也就越难扩展燃烧，如图8（b）所示。此外，圆弧型样品在火焰扩展过程中，其坡度逐渐增大，传播的难度也逐渐加大，这也是圆弧型样品相比直线型样品的火焰传播速率更慢、剩余长度更长的原因。Shape D和Shape E样品起燃后，其火焰几乎无扩展传播，而仅仅燃烧了最初被火焰喷枪加热的部分，这意味着当弧线曲率足够大时，能够起到隔断燃烧的效果。在实际工程应用中，如果发生火灾，及时隔断燃烧的扩散可以防止火势蔓延；在进行零件的防火设计时，可以通过大弧度设计来减少或预防火焰的传播，从而降低火灾造成的损失。

2.5 连接位置

复杂零件中板和棒之间存在不同的连接位置，如图1（c）所示的居中、居中靠右、居中贴边、角落处四种情况，以改善重心分布，减少应力集中等，从而确保零件整体结构的稳定性。由图8（c）可知，无论哪种连接方式，火焰都很难从棒状区域扩展到板状区域，这是由于板状样品的面积较大，导热和散热较快，产生的热量很难熔化样品，更难使板状样品发生燃烧。不同连接位置的三种合金样品燃烧熄灭后的剩余长度，如表2所示。可以看出，当连接位置居中时，下部的棒状样品燃烧熄灭后的剩余长度最长，而连接位置在角落处时，剩余长度最短。这是由于居中位置连接时，火焰产生的热量被传导至四面八方，而角落处位置连接的样品热量更集中，使得燃烧更易发生。此外，上部的板状样品会对周围空气的流动形成阻碍，燃烧产生的大量烟尘聚集，使得火焰周围氧气的浓度降低，燃烧更加困难。连接位置越居中，这种阻碍作用就越明显。

3 结论

（1）板材样品的点燃时间基本与其厚度成正比，这是因为点燃前需熔化的固体部分基本与厚度成正比；棒状样品的横截面形状显著影响火焰传播速率，其中圆形横截面样品因具有最大S/l_{\mathrm{c}}而阻燃效果最佳。

（2）板和棒的连接方式主要影响火焰的加热效率，进而影响扩展传播。连接角度越接近90°、弧线曲率越大、连接位置越居中，火焰扩展传播越困难。

（3）在镁合金零件的防火设计时，可以通过改进厚度、横截面形状、连接角度、弧度和位置来实现阻燃性能的提升，而将复杂镁合金零件简化为燃烧模拟件以研究其燃烧特性时，应当提取板的特征厚度、棒的特征截面形状、连接方式（角度、弧度、位置）等关键参数并保持不变，从而尽可能真实反映复杂零件的燃烧特性。

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