【摘 要】
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镁合金作为一种极富潜力的轻量化材料,在航空领域有着广泛的应用前景。但航空领域出于安全性的考虑,对选用材料的起燃性有十分严格的要求,鉴于镁在高温下化学性质活泼且形成的氧化膜致密性差等原因,镁合金构件的起燃性是其在航空领域应用的重要考量因素。现有对镁合金起燃行为的研究主要停留在成分对起燃温度的影响上,尚少有对起燃的动力学过程和起燃本质的深入探讨。此外,目前对镁合金构件阻燃防护的研究主要在合金化方面,尚
【基金项目】
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航空发动机与燃气轮机国家科技重大专项（J2019-Ⅷ-0003-0164）；
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镁合金作为一种极富潜力的轻量化材料,在航空领域有着广泛的应用前景。但航空领域出于安全性的考虑,对选用材料的起燃性有十分严格的要求,鉴于镁在高温下化学性质活泼且形成的氧化膜致密性差等原因,镁合金构件的起燃性是其在航空领域应用的重要考量因素。现有对镁合金起燃行为的研究主要停留在成分对起燃温度的影响上,尚少有对起燃的动力学过程和起燃本质的深入探讨。此外,目前对镁合金构件阻燃防护的研究主要在合金化方面,尚未有镁合金阻燃涂层方面的报道,而且阻燃涂层能够避免合金化带来的起燃性与力学性、加工性和耐蚀性的矛盾。因此,系统开展镁合金起燃行为及阻燃涂层研究对扩大镁合金的应用具有重要的理论和现实意义。本文研究了镁合金的起燃动力学过程,分析了氧化膜和第二相在起燃过程中的作用机制。考察了热源强度对镁合金起燃行为的影响,建立了热源强度与起燃时间的定量化关系以及镁合金起燃的数理模型,完善了镁合金起燃机理。在阻燃涂层方面,通过涂层成分与结构设计,研发了微弧氧化/CeO2-AlPO4复合涂层和双层结构膨胀型阻燃隔热复合涂层。探究了涂层组成及结构与阻燃性能的关系,阐明了涂层的防护机理,获得了以下结果:在镁合金起燃行为方面,①采用热分析动力学方法确定了 ZM5和ZM6的三个反应阶段:保护性氧化阶段、非保护性加速氧化阶段和起燃阶段,且ZM6比ZM5具有更宽的保护性氧化区间和更高的起燃温度;②ZM5表面形成的MgO氧化膜不具备保护性,ZM6表面形成的Nd2O3/MgO混合氧化膜具备保护性,ZM6氧化膜不容易破裂的原因与其应变增长动力学参数随温度升高而减小有关;③ZM5燃烧扩展主要以低熔点Mg17Al12相优先熔化以推动燃烧界面向前扩展,有明显方向性,ZM6中的Mg12Nd相熔化后会在周围形成保护膜,不会成为起燃点,燃烧扩展路径无方向性,且Nd元素表面富集效应有抑制燃烧扩展的作用;④镁合金起燃时间随着热源强度的增大而急剧降低,ZM6的起燃时间明显长于ZM5,但随着热源强度的增加,两种镁合金起燃时间的差距急剧缩短,高氧化反应速率和高浓度镁蒸气是其直接原因。铝酸盐、硅酸盐和磷酸盐电解液制备的微弧氧化涂层的起燃时间顺序为磷酸盐＞硅酸盐＞铝酸盐,在磷酸盐电解液中制备的微弧氧化涂层阻燃性最好,并且微弧氧化涂层具有自熄性,能起到抑制燃烧扩展的作用。为进一步提高阻燃能力,在ZM5镁合金表面制备了以微弧氧化涂层为底层,CeO2-AlPO4为外层的复合涂层,使2 mm厚的ZM5镁合金起燃时间由不到2 min延长至20 min,良好的热膨胀匹配性和力学性能抑制了涂层在火焰冲击过程中的开裂,同时,致密的涂层结构降低了镁合金基体的氧化反应速率,二者共同作用提高了 ZM5镁合金的阻燃性能。研发的一种1 mm厚的双层结构膨胀型阻燃复合涂层能够在1090℃高温火焰冲击15 min后保护ZM5基体不起燃,且仍具有相当的隔热能力。发现膨胀型复合涂层中的玄武岩鳞片（BS）和低熔点玻璃粉（GP）在阻燃和抑烟方面有着协效增强的效果,相比未添加的膨胀型复合涂层,其热释放速率峰值和总热释放量分别降低了 34%和21%,同时,总烟释放量、生烟速率峰值和CO生成速率分别降低了 28%、26%和29%。随温度升高,BS能与GP形成耐高温的玻璃态保护层,对表面起到强化作用。同时,BS和GP在高温下能够与聚磷酸铵的分解产物发生反应,生成SiP2O7和BPO4等无机物,增强外层的热稳定性。
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