1 引言

随着航天航空工业的发展，对构件轻量化的要求 越来越高。镁合金构件的应用也越来越广泛，且构件 结构趋于大型化、复杂化，结构功能一体化。为了满 足铸件的性能及尺寸要求，普遍采用树脂砂反重力铸 造成形。然而，树脂砂型放气量大且成分复杂，易与 镁合金发生氧化反应引起燃烧。目前，还未能彻底解 决镁合金燃烧问题，铸造过程阻燃已成为制约高性 能镁合金铸件生产的关键技术瓶颈及安全隐患。

航天镁合金铸造过程阻燃包括熔炼过程中的阻燃 和充型凝固过程中的阻燃两个方面。目前，大部分的研究工作围绕着熔炼过程中的阻燃技术及阻燃机理展 开。尽管有些熔炼过程的阻燃技术亦可应用于充型凝 固过程的阻燃，如气体保护技术。但是熔炼过程的阻 燃没有考虑合金液与铸型之间的相互作用，因而与实 际生产有较大差别。分别介绍镁合金熔炼过程和充型 凝固过程的阻燃技术。

2 熔炼过程保护

2.1 熔剂阻燃

镁合金熔炼过程熔剂保护是利用低熔点无机化合 物融化后形成液态保护，隔离合金液与空气，从而避免燃烧。目前国内常用的保护熔剂是 RJ 系列熔剂，其 中用得最为广泛的是 RJ-2 熔剂，主要组成物为 MgCl2、 NaCl、KCl、BaCl2、CaF2等。熔剂法能有效阻燃，但 同时带来二次污染、设备腐蚀，冶金品质下降等问题， 寻求新的工艺替代熔剂保护法是镁合金铸造生产中的 重要研究方向。

2.2 气体阻燃

2.2.1 惰性气体保护

并不是所有的惰性气体均能作为镁合金熔体的保 护气。常见的惰性气体 N2 可与镁发生反应，镁与氮气 的化学反应方程式为：

3Mg+N2=Mg3N2 （1）

Mg3N2 膜并不能阻止镁合金继续燃烧。Mg 与 Ar 不发生化学反应，可作为保护气使用。但由于在 Ar 保 护条件下，镁合金表面不能形成致密的保护膜，Mg 蒸 气可以不断蒸发，故不宜将纯 Ar 作为镁合金熔体的保 护气体。可以加入少量的 SO2、BF2等，通过其与镁合 金反应形成的致密氧化物膜阻止 Mg 的蒸发。

2.2.2 反应性气体保护

反应性气体保护依靠特定气氛与镁合金反应形成 能阻止镁合金继续燃烧的氧化膜层。常用的反应性保 护气体有 CO2、SO2 和含 F 气体等。

2001 年，Simon P. Cashion 等人提出用 HFC-134a （即四氟乙烷（1,1,1,2-tetrafluoroethane），又称 R134A 制冷剂）作为阻燃保护气体。在熔炼和铸造温度下， HFC-134a 比 SF6 有更好的阻燃效果。此外， HFC-134a 与镁合金形成的表面膜表现出了明显的“残 留效应”（Residual Effect），在混合气体消失后还能有 较长时间的阻燃保护效果。

2.3 合金化阻燃

目前，研究发现的主要阻燃合金化元素有 Ca、Be、 Zn、RE 等，合金元素能使得合金表面形成致密的氧化 膜，达到阻燃效果。除了上述加入单一的合金化元素 外，为了提高阻燃效果的同时获得良好的力学性能， 往往向镁合金中加入混合元素，如 Ce 和 Ca 混合， Be、Si 和 RE 混合，Be、Ca 混合等。稀土元素能够 细化镁合金晶粒，提高其室温及高温力学性能，因此 大量研究工作围绕稀土元素展开。研究表明 Ce、La、 Y 等稀土元素均能形成含稀土的化合物，提高氧化层 致密性，具有良好的阻燃效果，如 Mg-2.89Y-4.41Ce 液态合金能在 900℃无保护 0.5h 而不发生燃烧。

3 铸造过程的阻燃

铸造过程中型腔内气氛常与镁合金反应引起燃 烧，因此在铸造过程中也必须采取必要的阻燃措施。

为了隔绝镁合金与氧气反应，如英国的 Kirk Precision 公司以及美国的 White metal Casting 公司采 用的热室压铸机均使用 Ar 气保护[14，15]，航天大型镁 合金铸件均采用砂型，无法实现热室铸造，但是可以 借鉴冷室工艺，利用 Ar2 保护进行浇注。除了 Ar2 外， 还可采用 CO2/SF6 保护气等。但是在生产中，这些保 护气体会污染环境，而且难于操作。

传统的阻燃方式适用范围有限，对于航天大型镁 合金铸件凝固过程的燃烧问题，尚无可靠的工艺方法。 其根本原因在于，树脂砂铸造的起燃机理目前还不明 确。型腔内的氧化起燃过程又无法直接观察，给研究 工作增添了阻碍。

哈尔滨工业大学与上海航天精密机械研究所合 作，率先开展了针对大型镁合金铸件铸造过程燃烧问 题的研究。从铸件氧化起燃机理出发，期望获得科学 可靠的阻燃技术。首先利用傅里叶变换红外光谱技术 对航天大型镁合金铸造常用的 PEP-SET 树脂砂的热分 解过程进行了研究，以明确型腔气氛变化规律。如图 1 所示，为不同热冲击温度下，PEP-SET 树脂砂不同气 体成分浓度变化。检测结果表明，主要型腔热分解气 氛为 CO2、CO、NO、CH4 和 C2H6。且树脂砂热分解 逸出的气氛遵循固定顺序：首先是 NO、CO 和 CO2， 当该三种气体逸出速率达到峰值后，CH4 和 C2H6 浓度 升高，NO 等气体浓度下降。

搭建的实验装置如图 2 所示，通过控制反应室内 的气氛和温度模拟合金熔体在型腔内所处的环境，实现了对型腔内熔体氧化起燃过程的直接观察和研究。 如图 3 所示，为纯镁在 PEP-SET 树脂砂热解气氛下， 不同温度和保温时间形成表面氧化物形貌及厚度变化 情况。目前已明确了树脂砂型腔内的气氛变化规律， 掌握了 Mg-Al 系、Mg-RE 系、Mg-Zn 系合金在该气氛 下的氧化起燃过程。

基于上述研究成果，特别针对树脂砂铸造过程， 提出了基于阻燃的铸件热节控制、型腔气氛主动控制 等工艺思路，从根本上抑制镁合金熔体在铸造过程中 的氧化起燃。

4 结束语

目前镁合金阻燃技术研究主要针对熔炼过程展 开，铸造充型与凝固过程阻燃研究还十分欠缺。特别 是航天大型镁合金树脂砂铸造过程的燃烧问题亟待解 决。对于铸造充型凝固过程阻燃技术研究，应从其起 燃机理入手，掌握起燃的气氛条件和温度条件，明确 起燃的动力学过程，才能有的放矢，提出科学有效的 阻燃工艺方案，这是未来航天复杂镁合金铸件成型过 程阻燃工艺的研究途径与方向。