1、引言
金属燃烧是一种无需初始条件的新型失效模式｡高温富氧环境下，合金发生区别于常规氧化 / 熔化的特殊燃烧，能量源于金属自身或表面反应，伴随剧烈放热､强光及不可控性｡金属燃料研究滞后于气体燃料，实验方法分颗粒与块状燃烧两类：前者因微小尺寸需精密仪器监测亮度 / 温度突变；后者因表面积不足导致局部燃烧与速率不均｡本研究系统地对比了两类测试装置特性，剖析了技术瓶颈并提出未来研究方向｡
2、金属燃烧研究现状
金属燃烧行为可归纳为三种模型：液相燃烧､气相燃烧和混合相燃烧模型｡有学者提出主要反应途径包括：金属蒸发后的气相氧化；表面氧化生成挥发性氧化物或亚氧化物；表面氧化形成非挥发性氧化沉积物并溶解于金属 [1]｡金属材料的燃烧涉及复杂的热力学和动力学过程，分为热解､扩散和点燃 3 个阶段｡下文以钛合金和镁合金为例进行具体分析｡
2.1 钛合金燃烧行为
钛合金在高压､高速摩擦或剧烈冲击下易引发燃烧，其活性元素 (钛 / 铝 / 钒) 与氧反应生成氧化物｡初始阶段氧原子渗入钛表面晶格形成 TiO₂, 随温度升高氧化膜破裂失保护，氧气与基体剧烈反应生成其他氧化物并释放热量，达到燃点后即发生燃烧｡邵磊等基于 TC4､TC11､Ti14､Ti40 合金的实验，系统分析燃烧过程微观结构演变及 “固 - 液” 界面扩展机理 [2]｡Ti-25V-15Cr 与 Ti-6Al-4V 燃烧后形成氧化区､熔融区､热影响区和基体四区域｡研究表明，合金元素如钒 (V)､铬 (Cr)､铝 (Al) 等对钛合金的燃烧行为有显著影响，如 Ti-25V-15Cr 的阻燃性能优于 Ti-6Al-4V, 这是因为 Ti-25V-15Cr 中 V 和 Cr 元素含量较高，V 和 Cr 元素形成的氧化物层能够减缓氧的扩散，提高合金的阻燃性能，图 1 所示为 Ti-6Al-4V 和 Ti-25V-15Cr 合金反应区的典型结构 [3]｡
2.2 镁合金燃烧行为
镁合金在富氧环境中因低表面活化能易发生气相燃烧 (蒸发燃烧)｡镁蒸汽经多孔膜逸出后与氧接触面积增大，触发剧烈氧化反应并释放热能，形成自持燃烧循环｡镁合金高温氧化涉及化学､扩散及相变多重机制，直接影响氧化层抗裂性｡Han 等建立镁合金燃烧数学模型及可燃性测试体系，揭示其燃烧行为受热物理性质､氧化膜特性等内因及气体环境等外因共同影响｡Tan 通过添加 Ca､Be､Sr 等稀土元素提升抗氧化性，建立 RPB､SAEE､REE 等氧化物增强模型，其中 OR 模型证实氧化层机械强度对防护性能的关键作用 [4]｡Ni 等发现第二相 (如 LPSO､C36 相) 过多损害抗氧化性，提出 PBR 模型优化基体防护，并开发出 Mg-Al-Ca 基､SEN (Mg-Al-Zn-Ca-Y) 及 Mg-Y/Gd 基等高强耐燃合金 [5]｡
3、燃烧试验方法
3.1 颗粒燃烧试验
激光点火技术通过激光的高能辐射效应，将试样颗粒迅速加热至点火温度，实现对样品粒子的点燃 [6]｡图 2 (a)~(i) 看出，燃烧阶段，颗粒周围部分区域有浅黄色的火焰｡在 t=0.01s, 当激光点燃颗粒堆，此次实验点火延迟为 t=0.479s 时，产生火焰，随后燃烧更加剧烈，并出现微爆炸现象｡由图得出，颗粒堆仅在被激光照射的区域内燃烧，由于当粒子被点燃后，火焰就停止了蔓延，这是因为氧化物黏附在试样表面，阻止了颗粒和氧的进一步反应，导致了金属颗粒点火效率低｡Dreizin 等人在不同的氧化条件下，对铝粉进行加热，得到了点燃铝粉所需要的最小点火能量与铝粉喷射速度之间的关系 [7]｡有学者利用激光点火研究了钛铝金属间化合物 (TiAl 合金) 燃烧行为，揭示燃烧过程熔体的形成与运动规律，以及氧化物的类型和结构特征｡研究发现 TiAl 合金发生起燃及持续燃烧的激光功率临界条件分别遵循抛物线和抛物线直线规律，且显著高于近 α 型高温钛合金，具有更好的阻燃性能｡采用点火丝法和激光点火红外测温法分析硼镁合金的点火和燃烧过程，结果表明，MgB₂具有良好的点火特性，通过两种方法分别获得最高点火温度 1292K 和 1293K, 如图 2 所示｡
3.2 块状燃烧试验
(1) 摩擦诱导点火试验｡金属富氧燃烧主要源于摩擦加热作用｡弭光宝等 [8] 通过摩擦氧浓度法揭示复合涂层对 TC11 钛合金燃烧产物的调控机制 [8-9]｡Zhu 等改进摩擦点火技术提出 TiAl 合金 “内部预氧化 + 表面镀 Al” 阻燃模型：Al 含量是阻燃核心因素，Al 元素降低 TiO₂比例并提升阻燃膜密度，S 元素与 β 相形成 Al/Nb 扩散通道 [10]｡王标等基于摩擦实验与有限元分析证实，TC4 钛合金扩散燃烧需静子件热累积条件，实测与模拟起燃温度误差仅 3.6%[11]｡
(2) 富氧燃烧试验｡促进点燃燃烧法 (PIC) 用于评估金属在高温富氧环境中的自燃特性｡实验测定金属自燃最低气压及对应引燃温度｡熊家帅等通过 Cr 包覆层实验发现，Cr 元素与 Al/V 共沉淀形成富 Cr-Al-V 相，抑制氧扩散及 Al-O 反应，降低 TC4 燃烧速率 [12]｡邵磊等对比 TC4 与 TC11 表明，0.3~0.4MPa 氧压下 TC4 燃烧速度更高，其液相包晶反应及元素富集效应是主因｡
(3) 高温液滴法｡高温液滴法通过电弧熔融钛丝生成熔滴，接触钛片时能量传递引发局部温升，触发燃烧并形成周向蔓延热源｡罗圣峰等通过有限元模拟分析燃烧蔓延及烧断条件，发现钛火前沿呈圆弧扩展，临界对流传热系数与起始温度呈线性关系；临界氧分压与初始温度服从负指数规律 [13]｡Chen 确定二次燃烧临界参数：液滴尺寸 (d)､相对氧含量 (Pr) 和初始温度 (T₀) 符合幂律关系，并建立钛合金临界烧蚀统一经验模型｡
(4) 直流电弧激发燃烧法｡该实验采用弯曲试样与石墨电极通直流电点火，测定燃烧后重量 / 长度变化计算速率｡Ti40 与 Ti14 阻燃钛合金研究表明：Ti40 中 Cr/V 扩散形成 Cr₂O₃/V₂O₅氧化膜，抑制氧渗透；Ti14 因共析作用生成富 Cu 相包裹层，延长氧扩散路径｡S.Ma 等验证 AZ80 镁合金点火符合 Ⅲ 型模型，合金板尺寸与点火时间正相关，尺寸､熔融相变及氧化层应变为核心影响因素，如表 1 所示｡
表 1 颗粒燃烧行为试验方法比较
| 试验方法 | 摩擦诱导点火 | 富氧燃烧 | 高温液滴 | 直流电弧激发 |
| 能量来源 | 摩擦力 | 电加热 | 局部高电阻产生热量熔化纯钛 | 电能转换为热能 |
| 优点 | 与实际航空发动机着火环境相似；可控因素多；不产生烟雾､弧光以及有害气体等，不污染环境｡ | 增大可燃物与氧气的接触面积；富氧提高可燃物温度 | 设备简单､比较直观｡ | 适合在干燥环境中工作；操作简单，速度较快｡ |
| 缺点 | 材料需要特定几何形状，尺寸较大，增加了实验成本和难度｡ | 气体的制备及回收费用较高 | 可控因素少，难以测量钛合金的起燃温度｡ | 直流电弧有一定的磁场，向周围产生辐射｡ |
3.3 金属颗粒燃烧与块状燃烧试验对比分析
两种方法均采用点火方式｡外界能量 (摩擦 / 热量) 与气体压力升高可降低点火温度，触发燃烧｡其机理均为氧化还原反应，生成金属氧化物 (固体灰烬或气体)｡颗粒燃烧因比表面积大､氧接触充分，燃烧速率快且点火易，温度骤升且分布不均｡燃烧时颗粒表面形成氧化物壳层，内部金属持续扩散反应，产物为易扩散微颗粒｡过程剧烈且不稳定，易引发爆燃，可研究膨胀变形､弥散沸腾及微爆演化，适用于烟火､粉末冶金及推进剂等高能释放领域｡块状金属因表面积小､氧接触受限，燃烧速率慢且点火温度高｡表面氧化层阻碍反应，温度均匀缓升，过程平稳｡通过调节氧浓度､压力､粒径等参数可研究火焰传播规律及组织变化，适用于工业加热､金属加工等需稳定燃烧的场合｡
4、结束语
诸多研究学者已对金属的点燃和燃烧特性进行了详细研究，而解决问题的关键在于突破其易燃特性这一瓶颈，未来研究重点包括几个方面:
①深化金属燃烧动力学及点火机理研究；
②结合有限元技术分析不同压力 / 动态环境中的燃烧行为，构建数学模型指导试验；
③开发可控测试平台及评价方法，解决试验条件随机性问题，探究环境因子对燃烧的影响机制；
④重点发展金属燃烧预测方法，研发耐燃合金与阻燃涂层，提升材料安全性｡
参考文献
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[3] Lei S,Guoliang X,Xinhua L et al.Combustion behavior and mechanism of Ti-25V-15Cr compared to Ti-6A1-4V alloy [J].2022,194 (Jan.):109957.1~109957.13
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[13] 罗圣峰，王光健，马小斌等。钛液滴作用下钛合金薄片火蔓延的数值模拟 [J]. 航空学报，2022,43 (09):712~721
（注，原文标题：金属材料燃烧行为试验研究现状）
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