Page 174 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 赵江平，等： 增材制造用铝及铝硅合金粉尘的爆炸特性 第 5 期

composed of gaseous aluminum and silicon, which then combusts with oxygen.
Keywords: aluminum alloy dust; dust explosion; explosion flame temperature; lower explosive limit; ambient temperature;
maximum explosion pressure

3D 打印技术（又称增材制造技术）是以数字模型为基础的一种快速成型技术，其应用范围横跨众
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多行业 。近年来，我国 3D 打印技术逐渐发展成熟。金属 3D 打印技术解决了传统制备方法存在的问
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题 ，但其在实际操作过程中易形成粉尘云，这些粉尘云在遇到点火源时可能引发爆炸事故，造成人员伤
亡和财产损失。
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铝及铝硅合金粉尘是常用的 3D 打印材料之一 ，与普通合金粉尘相比，其具有更好的球形度、更高
的纯净度和更小的粒径 [4-5] ，铝硅合金有多种硅含量的配比，其中常用于 3D 打印的铝硅合金粉尘有硅质
量分数为 12% 的 Al-12Si 和硅质量分数为 20% 的 Al-20Si。粉尘的组分、种类及环境条件不同，需要制定
不同的防爆设计 。深入了解物料的爆炸特性，可避免由于忽略或错误估计粉尘爆炸的潜在风险和严重
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性导致无法采取有效的防爆设计。因此，有必要进一步探究不同粉尘的爆炸危险性，并对潜在的粉尘爆
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炸风险保持高度重视 。
截至目前，学者们已经较全面地研究了铝粉爆炸燃烧参数以及各因素对燃爆参数的影响。不仅测
试了铝粉在不同浓度、粒径、点火延迟时间等影响因素下爆炸参数的变化 [8-10] ，还在各种管道内测试了爆
炸参数 [11-12] ，并观察了火焰结构 [13] 。在探究不同因素对燃爆参数的影响时，除常见的影响因素外，环境温
度也是一个显著因素 [14-15] ，但目前环境温度对铝及其合金粉尘爆炸参数的影响尚不明晰。
对于铝合金粉尘的研究常以铝镁合金粉尘为研究对象。王秋红等 [16] 采用粉尘云最低着火温度测试
装置及 20 L 球形爆炸装置，研究了微米级镁铝合金粉爆炸特性参数。Luo 等 [17] 分析了 105～420 μm 之
间的粒度对镁铝合金热特性的影响，测试了样品的极限氧浓度和表观活化能。以铝硅合金粉尘为对象

的研究相对较少，马万太等 [18] 选取硅质量分数为 25% 的高硅铝合金粉尘进行研究，测试了其最小点火
能、最低着火温度、爆炸下限和最高爆炸压力，证明了高硅铝合金粉尘的可爆性，并发现高硅铝合金粉
尘爆炸所需要的质量浓度远高于铝粉。Vaz 等 [19] 对比研究了 Al 和 Al-Si 粉尘在惰性气体环境和氧气环
境中的热氧化特性。Millogo 等 [20] 研究了增材制造用铝及部分铝合金 AlSi7Mg0.6、AlSi10Mg 和 AlMg5
在粉尘条件下的爆炸和燃烧特性。Bernard 等 [21] 对比研究了增材制造中使用的铝合金的着火性能和爆
炸性能，选用 AlSi10Mg 为研究对象，测试得到其最大爆炸压力和爆炸指数。孙思衡等 [22] 对 8 种增材制
造粉尘的爆炸敏感程度进行了测试并排序，发现 TA15 的敏感度最高。
综上可知，学者们对铝粉及其合金粉尘的爆炸特性已经进行了较全面的研究。通过对部分增材制
造用金属合金粉尘开展燃烧、爆炸特性测试，证明其具有较高的危险性。但对增材制造过程中常用到的
不同硅含量铝硅合金粉尘的爆炸参数的测试以及存在的差异，仍需要更加深入的研究。鉴于此，本文
中，选取增材制造中常用的 Al、Al-12Si、Al-20Si 等 3 种粉尘，采用 20 L 球形爆炸装置，通过改变粉尘质
量浓度、点火能量和环境温度，分析 3 种样品在不同状态下的爆炸下限及爆炸压力、温度参数。并通过
热重分析-差示扫描量热法（thermogravimetric analysis-differential scanning calorimetry，TG-DSC）和 X 射线
衍射（X-ray diffraction，XRD）对铝及铝硅合金粉尘爆炸机理进行测试，为预防增材制造用铝及铝硅合金
粉尘爆炸提供数据参考。

1 实验材料与装置

1.1 实验材料
实验采用兴荣源公司加工制造的增材制造铝硅合金粉 Al、Al-12Si、Al-20Si，选购粒径为 15～53 μm
的样品。实验开始前，铝及铝合金粉尘样品均经过 8 h 以上干燥处理。

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