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摘要: 针对粉尘云最小着火能量(minimum ignition energy, MIE)、粉尘云最低着火温度(minimum ignition temperature of dust cloud, MITC)和粉尘层最低着火温度(minimum ignition temperature of dust layer, MITL)等参数, 开展了针对增材制造用金属粉末爆炸敏感性及影响因素的研究。结果表明, 镍合金粉末和不锈钢粉末爆炸敏感性较低, 而钛合金粉末的敏感程度略高于铝合金粉末, 八种粉末的爆炸敏感程度排序为: TA15>TC4>AlSi10Mg>316L>GH4169>GH3536>GH3625/304L。镍合金粉末和不锈钢粉末均不能被点燃; 钛合金、铝合金粉末的MIE和MITC均随粉尘浓度的升高呈先降低后升高的趋势, 而随喷尘压力的升高呈先降低后升高的趋势。Abstract: Based on the parameters of minimum ignition energy (MIE), minimum ignition temperature of dust cloud (MITC), and minimum ignition temperature of dust layer (MITL), the explosion sensitivity and influence factors of the typical metal powders used in additive manufacturing were investigated. The experimental results show that, the explosive sensitivity of nickel alloy powders and stainless steel powders is lower, while the explosive sensitivity of the titanium alloy powders is slightly higher than that of the aluminum alloy powders. The order of powder explosive sensitivity is as TA15>TC4>AlSi10Mg>316L>GH4169>GH3536>GH3625/304L. The results also show that, both nickel alloy powders and stainless steel powders could not be ignited. The MIE and MITC of titanium alloy powders and aluminum alloy powders decrease first and then increase with the increase of dust concentration, while decrease first and then increase with the increase of dust spraying pressure.
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Keywords:
- additive manufacturing /
- metal powders /
- explosion sensitivity
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近年来，以金属粉末为原料的增材制造技术在国内外飞速发展，在汽车、航天航空、医疗生物和军工等方面得到了广泛的应用[1-6]。增材制造用金属粉末具有纯净度高、球形度好、粉末粒径细小、粒径分布窄等特点[7-9]，在实际操作过程中极有可能形成粉尘云，被静电火花、机械热表面、电器火花、物理摩擦等点火源点燃，造成火灾爆炸事故。2018年10月12日，美国西雅图某钢铁制造厂内的增材制造设备实验室因未完全冷却的金属粉末接触到点火源而发生火灾。2013年11月5日，美国马塞诸塞州某增材制造设备公司的操作人员在收集增材制造设备内未烧结完的钛合金粉末时，粉末扬起形成粉尘云后被静电引燃发生爆炸，造成一员工重度烧伤。为了避免此类事故的发生，减少人员伤亡和财产损失，对增材制造用金属粉尘的爆炸敏感性进行研究是十分有必要的。
粉尘云最小着火能量（minimum ignition energy, MIE）、粉尘云最低着火温度（minimum ignition temperature of dust cloud, MITC）和粉尘层最低着火温度（minimum ignition temperature of dust layer, MITL）是粉尘爆炸敏感性的重要参数，可为粉尘爆炸事故预防提供参考依据。由于金属粉尘爆炸事故频发，不少学者已对金属粉末的粉尘爆炸敏感性进行了相关研究。陈金健等[10]和董海佩[11]测定了钛粉的最小着火能量、粉尘云最低着火温度和粉尘层最低着火温度；Nifuku等[12]对铝粉的粉尘云最低着火温度进行了测定；王以革[13]通过实验发现铝粉的爆炸敏感度远大于石松子粉末；钟英鹏等[14]通过实验对镁粉尘云的最低着火温度进行研究，得出镁粉尘云最低着火温度随粉尘浓度的升高而降低，在达到最佳浓度后又不再下降的结论；叶亚明等[15]探讨了镁粉尘云的爆炸敏感性和爆炸强度，并提出了镁粉爆炸的防护措施。此外，相关学者还探讨了合金粉末的爆炸敏感性。王霞飞[16]研究了镁铝合金粉末的最小点火温度，并构建了预测模型；Wang等[17]得出了铝硅合金粉尘云最低着火温度的变化规律；东北大学粉尘爆炸研究数字化平台上[18]给出了不同组成成分和不同工况下的镍合金粉末和不锈钢粉末的爆炸敏感性参数。国内外学者对增材制造用金属粉末的关注主要集中在制备方法的改进和力学性能等方面[19-25]，暂时没有针对增材制造用金属粉末的粉尘爆炸敏感性的相关文献。
基于目前对增材制造用金属粉末粉尘爆炸敏感性研究较少的现状，本文对常用的增材制造用金属粉末开展实验，研究不同粉尘浓度和喷尘压力下增材制造用金属粉末粉尘云最小着火能量和粉尘云最低着火温度的变化规律，为增材制造设备使用场所的防爆安全设计和事故预防提供科学依据。
1. 实验材料和方法
1.1 实验材料
为了更好地研究增材制造技术作业过程中发生粉尘爆炸事故的可能性，本文选用的金属粉末粒度与增材制造设备使用的金属粉末粒度完全相同。粉末类别及牌号等明细如表 1所示。使用BT-9300 LD型激光粒度分布仪对这四类八种粉末样品进行粒度测定，具体粒度如图 1所示。
表 1 试验用粉末化学成分及粒度Table 1. Chemical composition and particle size of powders used in the experiment粉末类别 粉末牌号 化学成分（质量分数） 中位径/μm 钛合金 TC4 铁≤0.30%，碳≤0.10%，氮≤0.05%，氢≤0.015%，氧≤0.20%，铝5.5%~6.8%，钒3.5%~4.5%，钛余量 38.66 TA15 钒≤2.3%，铝≤6.9%，锆≤2%，锰≤1.7%，钛余量 32.52 铝合金 AlSi10Mg 硅9.0%~11%，锌≤0.10%，铁≤0.55%，镍≤0.05%，锰≤0.45%，钛≤0.15%，镁0.2%~0.45%，铝余量 33.41 镍合金 GH4169 镍50%~55%，铬17%~21%，钴≤1%，碳≤0.08%，锰≤0.35%，硅≤0.35%，硫≤0.015%，铜≤0.35%，铝0.2%~0.8%，钛≤0.65%，铁余量 31.80 GH3536 碳≤0.03%，硅≤0.08%，锰≤0.50%，磷≤0.04%，硫≤0.02%，铬22%~24%，钼15%~17%，铁≤3.0%，铝≤0.50%，铜1.3%~1.9%，镍余量 30.80 GH3625 铬20%~30%，铁≤5%，铌3.15%~4.15%，钼8%~10%，钴≤1%，碳≤0.1%，锰≤0.5%，硅≤0.5%，硫≤0.015%，磷≤0.015%，铜≤0.07%，铝≤0.4%，钛≤0.4%，镍余量 27.42 不锈钢 316L 碳≤0.03%，硅≤1%，锰≤2.00%，硫≤0.030%，磷≤0.045%，铬16.00%~18.00%，镍10.00%~14.00%，钼2.00%~3.00%，铁余量 38.91 304L 碳≤0.03%，硅≤1.0%，锰≤2.0%，铬18.0%~20.0%，镍9.0%~12.0%，硫≤0.03%，磷≤0.045%，铁余量 36.76 1.2 实验装置
采用型号为HY16428 C型的1.2 L Hartmann管、型号为HY16429的Godbert-Greenwald恒温炉和型号为HY16430粉尘层最低着火温度测试仪对样品分别开展MIE、MITC和MITL实验，具体装置如图 1~3所示。
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图 1 1.2 L Hartmann管装置示意图Figure 1. Schematic diagram of the 1.2 L Hartmann tube device![]()
图 2 Godbert-Greenwald恒温炉装置示意图Figure 2. Schematic diagram of the Godbert-Greenwald constant temperature furnace device![]()
图 3 粉尘层最低着火温度装置示意图Figure 3. Installation schematic diagram of the minimum ignition temperature of dust layer1.3 实验方法
依据GB/T 16428[26]、GB/T 16429[27]、GB/T16430[28]分别测量MIE、MITC和MITL。将增材制造用金属粉末放入烘干箱，在50℃烘干12 h，将烘干后金属粉末放入干燥密封袋内进行保存。
(1）选取不同质量的金属粉末（1.0、1.5、2.0、2.5 g）在不同喷尘压力下（0.1、0.2、0.3、0.4 MPa）开展粉尘云最小着火能量实验。称取一定质量的粉尘，沿Hartmann管底部尖顶洒入，使之均匀扩散开来，通过压缩空气将粉尘样品喷洒至玻璃管内，利用充电电容产生的火花点燃扩散的粉尘云。调节粉尘浓度，由可点燃粉尘的火花能量开始，逐渐降低火花能量，直到测量出粉尘云最小着火能量。试验时，火焰离开火花位置传播至少60 mm则为着火。设定测试能量间隔步长为10 mJ，直到同一测试能量值下连续10次试验均未出现着火现象。
(2）选取不同质量的金属粉末（1.0、1.5, 2.0、2.5、3.0 g）在不同喷尘压力下（0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 MPa）开展粉尘云最低着火温度实验。称取一定质量的粉末，加入到储尘器中，将恒温时间设置为2 s。试验时，若在观察室中发现有火焰喷出或火焰滞后喷出，则视为着火。若未出现着火现象，则以10℃的步长升高加热炉温度，直至出现着火显现或加热炉温度已经到达1000℃。
(3）对不同金属粉末进行粉尘层最低着火温度实验，实验过程中选用5 mm的金属环。将粉尘铺满5 mm金属环，然后放在热表面上进行加热，粉尘层发生无焰燃烧或有焰燃烧，或其温度高于450℃，或其温升达到或超过热板温度250℃，都视为着火。若未出现着火现象，则以10℃的步长升高热表面温度，直至出现着火现象或热表面温度达到450℃。
2. 结果与讨论
2.1 粉尘云最小着火能量（MIE）分布特征
通过反复实验，镍合金粉末（GH4169、GH3536、GH3625）和不锈钢粉末（316L、304L）这两类粉末在上述粉尘质量和喷尘压力下均不能被点燃。钛合金粉末（TC4、TA15）和铝合金粉末（AlSi10Mg）的最小着火能量均随粉尘云浓度和喷尘压力的变化呈现出一定规律。
2.1.1 粉尘云浓度对MIE的影响
结合Hartmann管容积大小（1.2 L），由粉尘质量1.0、1.5、2.0、2.5 g计算得到粉尘云质量浓度依次为0.833、1.250、1.667、2.084 kg·m‒3。实验中，相对温度为（25±5）℃，点火延迟时间为60 ms，喷尘压力为0.3 MPa。不同粉尘云浓度条件下，TC4、TA15和AlSi10Mg粉末的最小着火能量的总体趋势如图 4所示。由图可知，TC4粉末最小点火能呈先降低后升高的趋势，最小着火能量分布在80~360 m J之间；TA15粉末最小点火能的变化趋势与TC4粉末相同，最小着火能量分布在20~100 m J之间；AlSi10Mg粉末最小点火能呈先降低后稳定的趋势，最小着火能量分布在80~350 mJ之间。
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图 4 粉尘云质量浓度对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MIE的影响Figure 4. Effect of the dust cloud mass concentration on the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders当粉尘云浓度为0.833 kg·m‒3时，三种合金粉末的最小着火能量均为最高，此时粉尘云浓度较低，粉末颗粒间距较大，颗粒之间的传热需消耗较高的能量。随着粉尘云浓度的增加，最小着火能量的降幅较为显著，这是因为当粉尘云浓度变大后，单位体积内能直接被点火电极点燃的粉尘颗粒变多，且颗粒间的传热路径变短，火焰传播速率变大，造成最小着火能量降低。当粉末浓度达到2.084 kg·m‒3时，粉末又过于密集，粉末颗粒与氧气接触的面积变小，且三种金属密度大，单个粉末颗粒较重，更容易受重力影响附着在点火电极上，因此该浓度的最小着火能量相较于1.667 kg·m‒3浓度下的最小着火能量有所上升。
2.1.2 喷尘压力对MIE的影响
设置实验相对温度为（25±5）℃，点火延迟时间为60 ms，粉尘浓度为1.667 kg·m‒3，在不同喷尘压力条件下，TC4、TA15和Al Si10Mg粉末的MIE的总体趋势如图 5所示。由图可知，TC4、TA15和AlSi10Mg粉末的最小着火能量都随着喷层压力的升高呈先减小到最小值后增大的趋势。
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图 5 喷尘压力对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MIE的影响Figure 5. Effect of the dust spraying pressure on the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders当喷尘压力为0.1 MPa时，喷尘压力不足，合金粉末不能形成均匀的粉层云，此时的MIE最大。随着喷尘压力的增大，粉末颗粒获得的动能变高，颗粒运动速度也变快，能更快地到达点火电极附近，直接参与燃烧反应的粉末变多，MIE呈下降趋势。喷尘压力达到0.3~0.4 MPa时，MIE又呈上升趋势，原因归结于Hartmann管是敞开式容器，过大的喷尘压力会将部分合金粉末喷出，粉尘浓度变小，反应释放的热量也随之变少。
2.2 粉尘云最低着火温度（MITC）分布特征
通过反复实验，GH3625粉末和304L粉末在上述任何粉尘质量浓度和喷尘压力下均不能被点燃，而GH4169、GH3536和316L这三种粉末仅在特定粉尘质量浓度和喷尘压力下才能被点燃，三种粉末的MITC实验数据如表 2所示。钛合金粉末（TC4、TA15）和铝合金粉末（AlSi10Mg）的粉尘云最低着火温度均随粉尘云浓度和喷尘压力的变化呈现出一定规律。
表 2 GH4169、GH3536和316L粉末MITC实验数据Table 2. MITC experiment data of the GH4169, GH3536, and316L powders粉末牌号 粉末质量浓度/ (kg·m-3) 喷尘压力/MPa 粉尘云最低着火温度/℃ GH4169 4.444 0.04 900 GH3536 4.444 0.04 950 316L 3.333 0.03 860 2.2.1 粉尘云浓度对MITC的影响
结合Godbert-Greenwald恒温炉容积大小（450 mL），由粉尘质量1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g计算得到粉尘云浓度依次为2.222、3.333、4.444、5.556、6.667 kg·m‒3。实验过程中，喷尘压力为0.04 MPa，恒温时间为2 s。不同粉尘云浓度条件下，TC4、TA15和AlSi10Mg的粉尘云最低着火温度总体趋势如图 6所示。由图可知，TC4、TA15和Al Si10Mg的MITC随粉尘云浓度的升高而先降低后升高。
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图 6 粉尘云质量浓度对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MITC的影响Figure 6. Effect of the dust cloud mass concentration on the MITCof TC4, TA15, and AlSi10Mg powders当粉尘云浓度为2.222 kg·m‒3时，单位体积内参与燃烧反应的粉末颗粒少，放热量小，最低着火温度偏高。随着粉尘云浓度增加，参与反应的粉末颗粒增多，放热量增加，且颗粒间距变小，火焰能够自行传播，故而此时最低着火温度降低。当金属粉末浓度达到6.667 kg·m‒3时，容器内的氧含量不足以让所有的合金粉末颗粒完全燃烧，导致此时的MITC略有上升。
2.2.2 喷尘压力对MITC的影响
实验过程中，设置金属粉末质量浓度为5.556 kg·m‒3，恒温时间为2 s。不同喷尘压力条件下，TC4、TA15和Al Si10Mg粉末的MITC总体趋势如图 7所示。由图可知，三种金属粉末的MITC都随喷尘压力的增大而降低，当喷尘压力增大到一定值后，继续增大喷尘压力会导致最低着火温度上升。
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图 7 喷尘压力对TC4、TA15和AlSi10Mg粉末MITC的影响Figure 7. Effect of the dust spraying pressure on the MITC of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders分析认为，当喷尘压力为0.01~0.02 MPa时，喷尘压力较小，粉末颗粒无法被均匀扩散，需要更高的温度才能点燃粉尘云。当喷尘压力增大到0.03~0.04 MPa时，容器内的含氧量增高，粉末颗粒间距变大，颗粒与氧气接触的面积增大，最低着火温度降低。当喷尘压力增大到0.05 MPa时，过大的喷尘压力不仅向容器内带入更多的冷空气，也加速了粉末颗粒的降落，参与燃烧反应的颗粒变少，最低着火温度又上升。
2.3 粉尘层最低着火温度（MITL）分布特征
经实验分析可知，钛合金粉末（TC4、TA15）和铝合金粉末（Al Si10Mg）在一定温度下，均发生着火现象，其他五种粉末，当热表面温度达到450℃后，仍无着火现象发生。八种粉末的MITL具体实验数据如表 3所示。值得注意的是，以TC4粉末为例，其MITC为460℃、MITL为380℃，粉尘层虽然不会发生爆炸事故，但是MITL的TC4粉尘层温度为476℃，高于MITC，可以作为点火源引燃粉尘云，因此有TC4粉尘堆积或沉积的生产场所，其生产设备或管道热表面温度不能超过380℃，TA15粉末同理，具体对比数据如表 4所示。
表 3 试验用金属粉末MITL数据Table 3. MITL data of the metal powders used in experiment粉末牌号 粉尘层厚度/mm 热表面温度/℃ 粉尘层温度/℃ 实验结果 TC4 5 380 476 着火 TA15 5 380 458 着火 AlSi10Mg 5 420 462 着火 GH4169 5 450 408 未着火 GH3536 5 450 386 未着火 GH3625 5 450 403 未着火 316L 5 450 383 未着火 304L 5 450 391 未着火 表 4 TC4、TA15和AlSi10Mg粉末的MITC与MITL对比Table 4. MITC and MITL comparison of the TC4, TA15, and Al Si10Mg powders粉末牌号 MITC/℃ MITL/℃ MITL下的粉尘层温度/℃ 粉尘层温度能否可作为点火源 TC4 460 380 476 是 TA15 430 380 458 是 AlSi10Mg 680 420 462 否 3. 增材制造用金属粉末粉尘云爆炸敏感性综合分析
3.1 增材制造用金属粉末爆炸敏感性排序
根据实验分析，钛合金粉末（TC4、TA15）和铝合金粉末（AlSi10Mg）的爆炸敏感性较高。由图 8可知，TA15粉末的MITC虽与TC4粉末只相差30℃，但TA15粉末的最小点火能明显小于TC4粉末，因此TA15粉末的爆炸敏感性略大于TC4粉末。AlSi10Mg粉末的MIE虽与TC4粉末一致，但MITC相对TC4粉末而言要高出很多，因此TC4粉末的爆炸敏感性又大于AlSi10Mg粉末。镍合金粉末（GH4169、GH3536、GH3625）和不锈钢粉末（316L、304L）的粉尘爆炸敏感性较低。镍合金粉末是在镍基中加入其他元素组成的合金，在加入碳、硅等元素后，镍合金粉末的高温强度、抗氧化性、耐腐蚀性都得到了较大的提升。镍合金粉末能在650~1000℃高温下保持其物理化学特性，是所有高温合金粉末中耐高温强度最高的。因此，镍合金粉末不易被一定能量点燃，其粉尘云与粉尘层也不易发生着火现象。316L、304L粉末都为超低碳不锈钢粉末。据《GB150‒2011钢制压力容器》[29]可知，316L的最高工作温度可达450℃，在此温度以下作业都具有较好的抗氧化性、耐腐蚀性。但增材制造用316L粉末碳含量（质量分数）达0.03%，其最高工作温度会大于450℃。304L具有良好的耐热性、耐腐蚀性，使用温度区间在‒196~800℃。因此，不锈钢粉末与镍合金粉末一样，既不易被一定能量点燃，其粉尘云和粉尘层也不易发生着火现象。虽然镍合金粉末和不锈钢粉末均较不敏感，但从粉尘层最低着火温度来看，仍可得出其爆炸敏感度的排序为316L > GH4169 > GH3536 > GH3625/304L。综上所述，八种金属粉末爆炸敏感性排序为TA15 > TC4 > AlSi10Mg > 316L > GH4169 > GH3536 > GH3625/304L。
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图 8 TC4、TA15、Al Si10Mg粉末敏感性差异Figure 8. Sensitivity analysis of TC4, TA15, and Al Mg10Si powders3.2 钛合金粉末、铝合金粉末MIE的最敏感条件及差异性分析
TC4、TA15和AlSi10Mg粉末粉尘云最小着火能量的最敏感条件如表 5所示。TC4和TA15虽同为钛合金粉末，TC4的最小着火能量却明显较高。分析认为，两者除成分存在不同外，TC4粉末粒度更大，其比表面积较小，与氧气接触的面积降低，不易被一定能量点燃。AlSi10Mg粉末的最佳喷尘压力与钛合金粉末相比较低，原因在于Al Si10Mg粉末的密度相较于两种钛合金粉末小，单个粉末颗粒较轻，当喷尘压力达到0.3 MPa时，一些AlSi10Mg粉末颗粒会被喷出Hartmann管外，参与反应的颗粒变少。因此，AlSi10Mg粉末最小点火能的最佳喷尘压力为0.2 MPa。
表 5 TC4、TA15和AlSi10Mg粉末MIE的最敏感条件Table 5. Most sensitive conditions for the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders粉末牌号 质量浓度/(kg·m-3) 喷尘压力/MPa 最小着火能量/mJ TC4 1.667 0.3 80 TA15 1.667 0.3 20 AlSi10Mg 1.667 0.2 80 3.3 钛合金粉末、铝合金粉末MITC的最敏感条件及差异性分析
TC4、TA15和AlSi10Mg粉末粉尘云最低着火温度的最敏感条件如表 6所示。TA15粉尘云最低着火温度比TC4要低，除组成成分不同外，TA15粒度较小是原因之一。AlSi10Mg粉末的最低着火温度达到680℃，明显高于两种钛合金粉末。这可能是因为AlSi10Mg粉末中铝的含量（质量分数）高达80%，铝在空气中与氧气反应，会迅速生成一层结构致密的氧化铝薄膜，阻止内部金属单质与外部空气的接触，继而避免进一步的氧化。Al Si10Mg粉末外的氧化铝薄膜耐高温、热稳定性好且化学性质稳定，因此AlSi10Mg粉末的粉尘云最低着火温度比两种钛合金粉末都要高。
表 6 TC4、TA15和Al Si10Mg粉末粉尘MITC的最敏感条件Table 6. Most sensitive conditions for the MITC of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders粉末牌号 质量浓度/(kg·m-3) 喷尘压力/MPa 粉尘云最低着火温度/℃ TC4 5.556 0.04 460 TA15 5.556 0.04 430 AlSi10Mg 4.444 0.03 680 4. 结论
(1）四类八种增材制造用典型金属粉末的爆炸敏感程度对比为：TA15 > TC4 > Al Si10Mg > 316L > GH4169 > GH3536 > GH3625/304L。
(2）镍合金粉末和不锈钢粉末的粉尘爆炸敏感性较低，不易被点燃，其粉尘云和粉尘层也不易发生着火现象。钛合金粉末和铝合金粉末的敏感性较高，粉尘云最小着火能量在20~80 m J之间，粉尘云最低着火温度在430~480℃之间，粉尘层最低着火温度在380~420℃之间。
(3）钛合金粉末、铝合金粉末的最小着火能量和粉尘云最低着火温度均随粉尘浓度的升高呈先降低后升高的趋势，随喷尘压力的升高呈先升高后降低的趋势。
(4）为降低增材制技术作业过程中发生粉尘爆炸的可能性，建议作业人员在进行粉末回收和筛分等操作时要穿戴专业的防静电服和防静电手套；作业区间应选用防爆型吸尘器、防爆型振动筛以及D型金属灭火器；当增材制造的原料为TA15或TC4粉末时，在作业完成后，需等待设备内温度降至380℃以下再进行后续的粉末回收等流程，而当原料为Al Si10Mg粉末时，则需待温度降至680℃以下。
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图 1 1.2 L Hartmann管装置示意图
Figure 1. Schematic diagram of the 1.2 L Hartmann tube device
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图 2 Godbert-Greenwald恒温炉装置示意图
Figure 2. Schematic diagram of the Godbert-Greenwald constant temperature furnace device
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图 3 粉尘层最低着火温度装置示意图
Figure 3. Installation schematic diagram of the minimum ignition temperature of dust layer
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图 4 粉尘云质量浓度对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MIE的影响
Figure 4. Effect of the dust cloud mass concentration on the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
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图 5 喷尘压力对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MIE的影响
Figure 5. Effect of the dust spraying pressure on the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
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图 6 粉尘云质量浓度对TC4、TA15和Al Si10Mg粉末MITC的影响
Figure 6. Effect of the dust cloud mass concentration on the MITCof TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
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图 7 喷尘压力对TC4、TA15和AlSi10Mg粉末MITC的影响
Figure 7. Effect of the dust spraying pressure on the MITC of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
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图 8 TC4、TA15、Al Si10Mg粉末敏感性差异
Figure 8. Sensitivity analysis of TC4, TA15, and Al Mg10Si powders
表 1 试验用粉末化学成分及粒度
Table 1 Chemical composition and particle size of powders used in the experiment
粉末类别 粉末牌号 化学成分（质量分数） 中位径/μm 钛合金 TC4 铁≤0.30%，碳≤0.10%，氮≤0.05%，氢≤0.015%，氧≤0.20%，铝5.5%~6.8%，钒3.5%~4.5%，钛余量 38.66 TA15 钒≤2.3%，铝≤6.9%，锆≤2%，锰≤1.7%，钛余量 32.52 铝合金 AlSi10Mg 硅9.0%~11%，锌≤0.10%，铁≤0.55%，镍≤0.05%，锰≤0.45%，钛≤0.15%，镁0.2%~0.45%，铝余量 33.41 镍合金 GH4169 镍50%~55%，铬17%~21%，钴≤1%，碳≤0.08%，锰≤0.35%，硅≤0.35%，硫≤0.015%，铜≤0.35%，铝0.2%~0.8%，钛≤0.65%，铁余量 31.80 GH3536 碳≤0.03%，硅≤0.08%，锰≤0.50%，磷≤0.04%，硫≤0.02%，铬22%~24%，钼15%~17%，铁≤3.0%，铝≤0.50%，铜1.3%~1.9%，镍余量 30.80 GH3625 铬20%~30%，铁≤5%，铌3.15%~4.15%，钼8%~10%，钴≤1%，碳≤0.1%，锰≤0.5%，硅≤0.5%，硫≤0.015%，磷≤0.015%，铜≤0.07%，铝≤0.4%，钛≤0.4%，镍余量 27.42 不锈钢 316L 碳≤0.03%，硅≤1%，锰≤2.00%，硫≤0.030%，磷≤0.045%，铬16.00%~18.00%，镍10.00%~14.00%，钼2.00%~3.00%，铁余量 38.91 304L 碳≤0.03%，硅≤1.0%，锰≤2.0%，铬18.0%~20.0%，镍9.0%~12.0%，硫≤0.03%，磷≤0.045%，铁余量 36.76 
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表 2 GH4169、GH3536和316L粉末MITC实验数据
Table 2 MITC experiment data of the GH4169, GH3536, and316L powders
粉末牌号 粉末质量浓度/ (kg·m-3) 喷尘压力/MPa 粉尘云最低着火温度/℃ GH4169 4.444 0.04 900 GH3536 4.444 0.04 950 316L 3.333 0.03 860
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表 3 试验用金属粉末MITL数据
Table 3 MITL data of the metal powders used in experiment
粉末牌号 粉尘层厚度/mm 热表面温度/℃ 粉尘层温度/℃ 实验结果 TC4 5 380 476 着火 TA15 5 380 458 着火 AlSi10Mg 5 420 462 着火 GH4169 5 450 408 未着火 GH3536 5 450 386 未着火 GH3625 5 450 403 未着火 316L 5 450 383 未着火 304L 5 450 391 未着火
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表 4 TC4、TA15和AlSi10Mg粉末的MITC与MITL对比
Table 4 MITC and MITL comparison of the TC4, TA15, and Al Si10Mg powders
粉末牌号 MITC/℃ MITL/℃ MITL下的粉尘层温度/℃ 粉尘层温度能否可作为点火源 TC4 460 380 476 是 TA15 430 380 458 是 AlSi10Mg 680 420 462 否
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表 5 TC4、TA15和AlSi10Mg粉末MIE的最敏感条件
Table 5 Most sensitive conditions for the MIE of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
粉末牌号 质量浓度/(kg·m-3) 喷尘压力/MPa 最小着火能量/mJ TC4 1.667 0.3 80 TA15 1.667 0.3 20 AlSi10Mg 1.667 0.2 80
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表 6 TC4、TA15和Al Si10Mg粉末粉尘MITC的最敏感条件
Table 6 Most sensitive conditions for the MITC of TC4, TA15, and AlSi10Mg powders
粉末牌号 质量浓度/(kg·m-3) 喷尘压力/MPa 粉尘云最低着火温度/℃ TC4 5.556 0.04 460 TA15 5.556 0.04 430 AlSi10Mg 4.444 0.03 680
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