高強韌鋯合金發展現狀與實踐探析

馬天洋 丁郁航 孫濤濤 劉瓊

【摘? 要】論文綜述了高強韌鋯合金的發展現狀和制備工藝，同時對高強韌鋯合金在航天、核電、化工等領域的應用實踐進行重點闡述，最后指出，在選擇合適的鋯合金合金元素的基礎上，深入研究高強韌鋯合金的制備工藝是重中之重。

【Abstract】The paper summarizes the development status and preparation process of high strength and toughness zirconium alloy， and mainly describes the application and practice of high strength and toughness zirconium alloys in aerospace， nuclear power， chemical industry and other fields. Finally， on the basis of selecting the appropriate zirconium alloy alloy elements， it is the top priority to deeply study the preparation process of high strength and toughness zirconium alloy.

【關鍵詞】高強韌鋯合金;發展現狀;實踐

【Keywords】 high strength and toughness zirconium alloy; development status; practice

【中圖分類號】TG146? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0176-02

1 引言

開發新鋯合金替代傳統鋯合金一直是各國學者研究的重點及難點，而高強韌鋯合金因其良好的耐蝕性、尺寸結構穩定等特性，在我國工業領域越來越受到廣泛關注。隨著我國鋯合金加工技術的不斷創新，鋯合金抗拉強度提高、力學性能逐漸完善，而在鋯合金韌性增加后，該類合金可被實踐于特殊生產環境中，解決我國工業生產中高溫、低溫條件下加工裝置材料磨損問題。因此，本文對高強韌鋯合金發展現狀、制備工藝及其具體實踐展開討論，以梳理高強韌鋯合金未來應用趨勢。

2 高強韌鋯合金的發展現狀和制備

2.1 高強韌鋯合金發展現狀

在航天航空、工業領域中，鋯及其合金可作為核反應堆外部外殼材料，與不銹鋼合金相比，鋯合金可憑借自身熱中子吸收截面積小的特征，將中子及時反射，有助于節約鈾燃料。但在深海、高鐵路等領域運用鋯合金時，受溫度、空間輻射等因素影響，所用金屬構件會產生尺寸不穩、摩擦磨損等問題，針對這類特殊應用場景，鋯合金應用潛質逐漸顯現。相較于傳統金屬材料，鋯合金所制成金屬結構，可抵抗空間損傷、原子氧侵蝕，然而，因純鋯抗拉強度有限，無法直接作為金屬構件材料，需制備為高強韌鋯合金，滿足特殊環境金屬結構裝配要求。目前，相關人員所研制出的高強韌鋯合金種類有ZrAl系、ZrTi系、ZrB系、ZrTiAl系，其抗拉強度遠高于純鋯，發展前景廣闊。

2.2 高強韌鋯合金的制備

高強韌鋯合金制備時，因鋯合金本身熔點較高，其在高溫條件下所凝固生成合金內部材料不均勻，容易造成鋯合金力學性能受損問題。為此，需在制備期間，借助熱處理工藝、持續變形結晶等方式，完善高合金力學性能，提高鋯合金整體強度。另外，制備高強韌鋯合金時，合金組織優化核心在于實現合金組織設計的等軸化，并且在新型鋯合金制備中，需基于鈦合金制備技術中的固溶時效控制、鍛造等工藝，改進高強韌鋯合金制備方案。具體來說，其制備技術是通過聯合低溫大塑性變形、復合工藝，獲取鋯雙態、等軸鋯合金組織制備數據，使高強韌鋯合金抗拉強度指數增加為1500～1700MPa，且延伸率達到12%左右[1]。另外，某科研人員所制備的鋯合金經優化工藝處理后，可在保障合金塑性基礎上，使其抗拉強度提升到1600MPa，同時在650℃高溫條件下，該高強韌鋯合金抗拉強度仍然可控制在1400～1700MPa范圍內，延伸率大于12%，應變曲線如圖1所示。該種高強韌鋯合金的研發與成功制備，可拓展鋯合金力學性能限制，擴大高強韌鋯合金應用范圍。

3 高強韌鋯合金的實踐

3.1 在航天領域的實踐

在航天領域中，高強韌鋯合金綜合性能測試結果表明，鋯合金耐輻射、適應空間低溫、耐輻照、耐磨損、超高真空功能明顯優于傳統合金，因此，可將其應用在航天領域空間機構構件組成方面。以高強韌鋯合金Zr45Ti5Al3V為例，其合金基體硬度、抗拉強度分別為HRC42、1400MPa，延伸率為10%，核心表層處理后抗拉強度為1500MPa，滿足航空空間機構組成結構材料性能需求。另外，高強韌合金在航天領域具體實踐中，相關人員通過調整空間環境，對鋯合金構件樣品展開測試，以分析其在航天領域實踐價值，具體測試流程如下：

第一，使用帶電粒子創設輻照條件，待合金輻照后測試合金樣品表面磨損、力學性能、納米硬度。測試結果表明高強韌合金在空間機構所處環境中，經輻照后同樣能夠可靠使用。

第二，原子氧暴露后，經檢測高強韌合金抗磨損、抗腐蝕能力明顯增強，而利用3～9km/s的細小物質對合金樣品展開高速沖擊試驗后，合金會相繼產生塑性變形、再結晶情況，即合金在變形后可在高溫條件支撐下再次結晶、表層硬化，以抗擊外部環境中細小物質的沖擊。

第三，將試驗溫度調整為零下100℃評估合金樣品抗拉強度，拉伸試驗表明，高強韌合金樣品抗拉強度為1700MPa，延伸率為5%～7%。當溫度條件改變為零下100℃到100℃時，鋯合金抗拉強度變化幅度小，熱膨脹系數約為6.5×10-6K-1，可使航天空間機構中活動部件處于高精度運行狀態。

基于上述，航天領域中空間機構運行中，高強韌鋯合金在低溫、帶電粒子輻照、原子氧侵蝕影響同樣能夠正常服役。因此，相關人員在優化高強韌鋯合金制備方案前提下，成功制造空間結構活動部件，鋯合金實踐范圍不斷擴大，可有效解決航天領域空間機構材料使用的限制性問題。

3.2 在核電領域的實踐

核能屬于清潔型能源，經濟性特點突出，核電領域中核動力裝置安全、穩定性與核電裝置包殼材料綜合性能息息相關。高強韌鋯合金作為堆芯材料之一，其在核電領域實踐中可作為包殼材料確保核反應堆高效、安全運行。具體來說，高強韌鋯合金憑借自身耐輻照、抗腐蝕等優異性能，用于核工業廢水處理、核電站建造中。鋯合金在核電領域滲透的初始階段，我國核電站所用高強韌鋯合金包括M5合金、Zirlo合金、E110合金。但是自2015年后，為實現鋯合金國產化發展目標，我國鋯合金研究力度不斷強化，且資金投入增加。并且隨著NZ2、NZ8鋯合金研究的深入，我國已經研發出可滿足核電站燃料損耗控制要求的鋯合金，并在2020年可逐步取代進口鋯合金材料，使高強韌鋯合金可成功應用在國內核電領域，繼而使核電領域中高強韌鋯合金獲得自主知識產權，改變國外壟斷高強韌鋯合金包殼材料生產技術的局面[2]。

3.3 在化工領域的實踐

化工領域中，高強韌鋯合金多用于工業廢水處理、廢氣凈化、甲醇回收裝置制造中，逐步替代傳統合金材料，并且在高強韌鋯合金使用中，裝置使用年限明顯增加，是裝置原有年限的3～6倍。具體來說，高強韌鋯合金在化工領域實踐中，可作為反應器、加工管道閥門、傳動設備的主要材料，用以完善各裝置力學性能。一方面，高強韌鋯合金抗腐蝕性能支持下可用于醋酸、塑料等行業化工設備制造，如生產熱交換器、閥門、反應器、管道等。據了解，我國在化工領域中塑料行業生產中所用鋯合金材料約有500t，并且某企業使用高強韌鋯合金所生的Zr-3鋯板（管）材，屬于工業級鋯合金，整體質量可滿足化工生產中壓力容器基本要求，且與國外鋯合金質量相當。因此，國內高強韌鋯合金在實踐中，已經逐步替代進口產品、鋯合金材料，被用于建造化工領域內的壓力容器、處理裝置。另一方面，鋯合金不僅耐蝕性較強，且傳熱性能、力學性能良好，可在石油化工領域中作為工業產品耐蝕結構材料，輔助攪拌器、噴霧器、除霧器、熱交換器設備加工，同時憑借自身成本優勢，可作為化工產品主材料。

4 結語

綜上所述，鋯合金在各領域的普及性提高，對我國化工、核電、航天領域內部建設意義重大。但由于傳統鋯合金力學性能尚未完善，限制著鋯合金在各領域的實踐，導致鋯合金應用價值難以體現。隨著高強韌鋯合金的研發與運用，鋯合金支撐下的工業設備及產品綜合性能不斷完善，使得鋯合金在各領域的實踐范圍越來越廣泛。因此，為推動我國工業文明發展，在選擇合適的鋯合金合金元素的基礎上，深入研究高強韌鋯合金的制備工藝是重中之重。

【參考文獻】

【1】鐘海燕，袁孚勝.高強高導銅鉻鋯合金的市場現狀分析[J].有色冶金設計與研究，2019（01）：32-34.

【2】周云凱.Zr-Ti二元合金的強韌化及其組織演變[D].秦皇島：燕山大學，2015.