噴射成形Al-25Si-4Cu-Mg合金過(guò)噴粉末特性研究

馬萬(wàn)太，蔣云澤，冷 晟

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.江蘇豪然噴射成形合金有限公司，鎮(zhèn)江 212200）

0 前言

Al-25Si-4Cu-Mg合金是一種過(guò)共晶合金，具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、體積穩(wěn)定性及耐磨耐蝕性好、彈性模量高等特點(diǎn)，并具有一定的高溫強(qiáng)度。作為高溫、高負(fù)荷、高速滑動(dòng)摩擦部件耐磨材料，該合金廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)的活塞、轉(zhuǎn)子、氣缸襯套、進(jìn)氣門(mén)及氣門(mén)座等[1-2]。由于Al-25Si-4Cu-Mg合金的Si含量高達(dá)25%，采用常規(guī)熔鑄制備工藝時(shí)存在初晶硅顆粒粗大、共晶硅呈針片狀等問(wèn)題。噴射成形作為一種快速凝固技術(shù)，已成為高硅含量鋁合金材料的主流制備方法之一，如德國(guó)PEAK公司采用噴射成形工藝生產(chǎn)的Al-25Si-4Cu-Mg合金氣缸套已大量應(yīng)用在奔馳、奧迪、寶馬等高端汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中[3]。

在噴射成形過(guò)程中，一部分霧化液滴未能沉積并凝固形成過(guò)噴粉末，過(guò)噴粉末是噴射成形生產(chǎn)過(guò)程唯一的副產(chǎn)品，約占投料重量的20%。過(guò)噴粉末的存在帶來(lái)了兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）直接導(dǎo)致噴射成形工藝成本增加及資源浪費(fèi)；（2）鋁硅粉末屬于二類(lèi)易燃爆物，對(duì)噴射成形生產(chǎn)造成安全隱患。近年來(lái)，對(duì)噴射成形過(guò)噴粉末及其資源化利用技術(shù)的研究逐步得到關(guān)注。康福偉[4]、樊文軍[5]、杜春風(fēng)[6]分別對(duì)鎳基高溫合金、GCr15鋼、Zn60Al32Cu2Si6合金噴射成形過(guò)噴粉末的微觀組織形貌、物相組成、粒度分布等特性進(jìn)行了研究；皮自強(qiáng)[7]在對(duì)825K高速鋼過(guò)噴粉末特性分析基礎(chǔ)上，研究了過(guò)噴粉末的燒結(jié)工藝及材料性能。在粉塵燃爆特性研究方面，現(xiàn)有的研究主要針對(duì)鋁粉、鋁合金粉、鋁鎂合金粉[8-10]，而高硅鋁合金粉塵燃爆特性方面的研究則較少。

本文通過(guò)對(duì)Al-25Si-4Cu-Mg合金噴射成形過(guò)噴粉末的物化特性及其粉塵燃爆特性的研究，深入了解和掌握過(guò)噴粉末粒徑分布、形貌特征、物相組成，以及粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度與爆炸特性參數(shù)，為過(guò)噴粉末的資源化利用和噴射成形設(shè)備防爆設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 Al-25Si-4Cu-Mg合金噴射成形制備工藝

采用江蘇豪然噴射成形合金有限公司的雙噴嘴噴射成形工藝制備Al-25Si-4Cu-Mg錠坯，制備原理如圖1所示。按照名義成分配比各合金元素，其中，Si為Al-50Si中間合金。主要噴射工藝參數(shù)為：漏包熔體噴射溫度860～890℃，熔體流率13.0 kg/min，霧化壓力1.1 MPa，噴射高度650 mm，噴嘴掃描頻率9 Hz，收集器旋轉(zhuǎn)速度83 r/min。噴射成形制備得到的Al-25Si-4Cu-Mg錠坯直徑為380 mm，如圖2所示。

圖1 噴射成形原理

圖2 Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形錠坯

在噴射成形過(guò)程中，部分Al-25Si-4Cu-Mg霧化液滴未能沉積在錠坯表面，凝固形成了過(guò)噴粉末。其中，95%的過(guò)噴粉末通過(guò)旋風(fēng)分離式除塵器沉淀在集粉箱中，極少部分的超細(xì)粉末隨氮?dú)膺M(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行二級(jí)除塵。

噴射結(jié)束待過(guò)噴粉末冷卻后（期間采用氮?dú)膺M(jìn)行冷卻），從除塵器集粉箱中收集粉末，采用真空封裝和非真空封裝兩種方式保存。

2 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的物理特性

分別對(duì)9組Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末和噴射成形錠坯的9組不同部位（頭部、中部、尾部的中心、邊緣和1/2半徑處）樣品進(jìn)行成分檢測(cè)。表1為Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末實(shí)測(cè)成分與名義成分及噴射成形錠坯實(shí)測(cè)成分對(duì)比表?？梢钥吹竭^(guò)噴粉末和噴射成形錠坯的各主要元素含量與理論成分差別很小，各元素的成分波動(dòng)也較小，體現(xiàn)了快速凝固噴射成形工藝在控制成分偏析上的優(yōu)勢(shì)。

表1 Al-25Si-4Cu-Mg粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用MT-1001K粉體物性測(cè)定儀對(duì)過(guò)噴粉末的松裝密度、振實(shí)密度和流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試。Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的松裝密度和振實(shí)密度較高，分別為1.25 g/cm3和1.79 g/cm3，分別達(dá)到材料理論密度 的45.45%和69.12%。粉 末 的 休 止 角 為40.16°，表明過(guò)噴粉末具有較好的流動(dòng)性能。

采用惰性氣體熔融紅外吸收法對(duì)粉末氧含量進(jìn)行測(cè)定。非真空封裝粉末氧含量為0.019%，真空封裝粉末的氧含量小于0.01%，表明真空封裝對(duì)粉末氧含量的控制作用較明顯，滿(mǎn)足粉末加工規(guī)定的氧含量要求。

2.1 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的粒度分布

選用80目篩網(wǎng)對(duì)Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末進(jìn)行篩分處理，以除去粉末中的大顆粒及片狀物質(zhì)。采用MS-2000型激光粒度分析儀對(duì)粉末進(jìn)行粒徑分析，粒徑分布如圖3所示。Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末粒徑呈正偏態(tài)分布，粉末粒徑的D10、D50（中值粒徑）和D90分別對(duì)應(yīng)為9.76 μm、30.20 μm和88.48 μm，粒徑眾數(shù)為24.35 μm，平均粒徑為43.12 μm。

圖3 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末粒徑分布

由圖3可以看出，過(guò)噴粉末中小尺寸顆粒占比較大。其原因是，在噴射成形霧化過(guò)程中，小尺寸粉末顆粒慣性小，容易從霧化錐脫逸而形成過(guò)噴粉末；另一方面，由于小尺寸粉末顆粒的凝固速度更快，到達(dá)沉積面時(shí)已經(jīng)完全凝固，粘附力較小，容易從沉積面飛濺出去。

過(guò)噴粉末粒徑在99%置信水平下的理論分布范圍為4.52～101.20 μm。相比于單一尺寸粉末而言，較寬的粉末粒徑分布范圍的粉末振實(shí)性更好。在粉末振實(shí)過(guò)程中，小尺寸粉末易于填補(bǔ)大尺寸顆粒之間的縫隙，增大顆粒的接觸面積，有利于提高粉末振實(shí)密度。

2.2 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的形貌特征

采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的形貌特征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的形貌特征

從圖中可以看出，Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末大部分顆粒呈球形或類(lèi)球形，極少部分呈不規(guī)則狀，且粉末顆粒的形貌跟粒徑大小相關(guān)。粉末顆粒球形度和表面光滑度隨其粒度變小明顯提高，當(dāng)粒徑減小至20 μm時(shí)，球形顆粒表面非常光滑。粉末顆粒的形狀與霧化熔滴的凝固時(shí)間和球化時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短有關(guān)，如果凝固時(shí)間少于球化時(shí)間，則熔滴未經(jīng)充分球化就已經(jīng)凝固完全，產(chǎn)生的粉末顆粒形狀呈不規(guī)則狀；反之，若合金熔滴在凝固前的球化程度高，凝固之后則形成類(lèi)球形顆粒，表面趨于光滑。熔滴的球化時(shí)間與熔滴直徑、黏度近似成正比，而與表面張力近似成反比。大尺寸熔滴的表面張力小，球化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且在快速凝固過(guò)程中體積收縮更加明顯，表面容易凹凸不平；小尺寸熔滴具有更大的表面張力，球形形成時(shí)間短，球形度更高，表面光滑度提高。

從圖4中還可以看出，部分大顆粒表面粘結(jié)有小尺寸顆粒，形成衛(wèi)星粉。液滴飛行過(guò)程中，大小熔滴之間發(fā)生頻繁的碰撞，小尺寸顆粒凝固較早，一些固相率較高甚至己經(jīng)完全凝固的小液滴若與大液滴發(fā)生碰撞，撞擊到尚未完全凝固的大尺寸合金熔滴上發(fā)生冷焊，粘附在大尺寸顆粒表面形成衛(wèi)星粉。

3 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的物相組成

采用XRD-6000X型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末進(jìn)行物相測(cè)試和分析，掃描范圍為15～90°，掃描速度為2（°）/min，并用Jade6對(duì)XRD圖譜進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯辖鸱勰┑闹饕锵酁棣?Al、β-Si、θ相（CuAl2）和Q相（CuMgSiAl）。其中，α-Al、β-Si的衍射峰較強(qiáng)，是合金中的主要物相，θ相、Q相衍射峰較弱，含量較少。

圖5 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的XRD圖譜

4 Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的燃爆特性

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析Al-25Si-4Cu-Mg過(guò)噴粉末的粉塵燃爆特性，重點(diǎn)獲取和掌握Al-25Si-4Cu-Mg粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度與爆炸特性等參數(shù)，為噴射成形設(shè)備或粉末加工處理裝備的安全防爆設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（1）最小點(diǎn)火能。它是衡量粉塵敏感性和危險(xiǎn)性的一個(gè)重要指標(biāo)。采用HY16428C型粉塵云最小點(diǎn)火能測(cè)試儀測(cè)試粉塵云的最小點(diǎn)火能量。使用150 kPa噴塵壓力，對(duì)7種粉塵云濃度進(jìn)行最小點(diǎn)火能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在粉塵云的質(zhì)量濃度低于1 800 g/m3、最小點(diǎn)火能量達(dá)到0.1 mJ時(shí)，粉塵云很容易被引燃。因此，在Al-25Si-4Cu-Mg粉塵的生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)極力避免空間內(nèi)粉塵云濃度處于危險(xiǎn)濃度范圍內(nèi)，且要防止粉塵云與雷電、靜電、生產(chǎn)中摩擦或碰撞所產(chǎn)生的火花等能量源接觸，避免因達(dá)到粉塵云的最小點(diǎn)火能0.1 mJ而引發(fā)粉塵爆炸事故。

圖6 不同粉塵濃度下的粉塵云最小點(diǎn)火能

（2）最低著火溫度。通過(guò)改變粉塵質(zhì)量與噴塵壓力，采用HY16429型粉塵云最低著火溫度測(cè)試儀測(cè)試粉塵云在不同狀態(tài)下的最低著火溫度。實(shí)驗(yàn)表明，噴粉壓力在50 kPa條件下，當(dāng)裝載量為3 g和4 g時(shí)，粉塵云發(fā)生劇烈著火，其最低著火溫度為960℃。表明Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云最小著火溫度相對(duì)較高。

（3）粉塵云爆炸下限濃度。該指標(biāo)指在給定能量點(diǎn)火源作用下粉塵云能自持燃燒的最低濃度[11]。采用20 L球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)粉塵云的爆炸下限濃度進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云爆炸下限濃度介于150 g/m3和200 g/m3之間，因此，在涉及到高硅鋁合金粉塵云的場(chǎng)所中，應(yīng)避免粉塵云的濃度超過(guò)150 g/m3。

（4）最大爆炸壓力。采用20 L球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)超過(guò)爆炸下限以上5種濃度的Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云分別進(jìn)行最大爆炸壓力測(cè)試。粉塵云最大爆炸壓力隨粉塵云濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉塵云濃度為2 500 g/m3時(shí)，其最大爆炸壓力為0.525 MPa，該參數(shù)是Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形設(shè)備抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形過(guò)噴粉末進(jìn)行測(cè)試分析和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了過(guò)噴粉末的粒度分布、形貌、物相及粉塵燃爆特性，主要結(jié)論如下：

（1）過(guò)噴粉末的松裝密度和振實(shí)密度較高，分別達(dá)到材料理論密度的45.45%和69.12%，粉末休止角為40.16°，具有較好的流動(dòng)性能。真空封裝下粉末的氧含量小于0.010%。

（2）過(guò)噴粉末的粒徑呈正偏態(tài)分布，99%置信水平下的理論分布范圍為4.52～101.20 μm，其中，小尺寸顆粒占比較大，中值粒徑和平均粒徑分別為30.20 μm、43.12 μm。

（3）過(guò)噴粉末大部分顆粒呈球形或類(lèi)球形，球形度和表面光滑度隨其粒度變小而提高。部分大顆粒表面粘結(jié)有小尺寸顆粒，具有衛(wèi)星粉特征。

（4）過(guò)噴粉末的主要物相為α-Al、β-Si、θ相（CuAl2）、Q相（CuMgSiAl）。

（5）過(guò)噴粉末的粉塵云濃度達(dá)到1800 g/m3時(shí)，其最小點(diǎn)火能值最低為0.1 mJ；當(dāng)噴粉壓力為50 kPa時(shí)，最低著火溫度為960℃；粉塵云爆炸下限濃度介于150 g/m3和200 g/m3之間；粉塵云濃度為2 500 g/m3時(shí)，爆炸壓力達(dá)到最大峰值0.525 MPa。