鋯合金材料加工技術及應用研究

耿 佩，龔小濤，馬 晶，周 超

（西安航空職業技術學院 航空材料工程學院,陜西 西安 710089）

地殼中含鋯元素約0.026%，總含量為銅的2.5倍。鋯的熔點較高、密度適中、強度優良、膨脹系數低、彈性模量小，并在較高溫度下的多種介質中具有良好的耐蝕性；鋯及其合金具有優異的壓力加工和機械加工性能，可加工成現代工業所需的多種鍛件與型材。

目前，Zr-Sn 系和Zr-Nb 系兩類鋯合金生產工藝相對比較成熟。Zr-Sn 系常見牌號有Zr-2、Zr-4，Zr-Nb 系的典型牌號代表是Zr-2.5Nb。在Zr-Sn 系合金中，合金元素錫、鐵、鉻、鎳的加入可提高材料強度、耐腐蝕性和耐蝕膜的導熱性，還能減弱材料表面的腐蝕敏感性。

1 鋯合金材料加工技術

1.1 鋯合金擠壓成形

鋯合金在核反應堆中主要用于結構材料的包殼件等，是反應堆所用材料中的的核心材料之一，這些包殼等組件大部分為鋯合金管材和棒材，約占其使用總量的75%～80%[1]。這些管材和棒材都是通過經擠壓成形加工得到的，大部分鋯合金都具有較好的擠壓成形性能。

核工業中常用的鋯合金材料一般流動性較差，在擠壓工藝中容易產生產品質量缺陷或擠壓力過大，導致悶車。因此，鋯合金的擠壓工藝要求鑄錠及模具在擠壓前要采用充分的潤滑措施。為此，中國重型機械研究院股份公司研究找出了一種鋯合金擠壓專用潤滑劑：主要包含二硫化鉬、玻璃粉、石墨、水、粘附劑。再利用合理的潤滑工藝，可有效避免擠壓過程中金屬粘針、粘筒、粘模等現象的產生[2]。

1.2 鋯合金鍛造成形

鍛造加工作為鋯合金產品生產的重要一步，其主要作用是破碎鑄態組織、提高金屬的綜合性能，即在獲得合理坯料尺寸的同時，為后續淬火、擠壓及軋制過程提供必要的組織基礎[3]。實際生產中，為保證鍛件產品質量，鑄錠和變形坯料的加熱應制定合適的加熱規范，并控制好加熱爐內氣氛。當保持其他工藝參數不變時，不同的鍛前加熱制度對鋯合金坯料的組織和性能有重要影響。

1.2.1 鍛造工藝流程

海綿鋯通過高溫熔煉之后后得到的鋯鑄錠，因其內部存在夾雜、疏松等鑄造缺陷，導致其組織性能較差，因此鋯合金鑄錠也要經過大的鍛造變形和熱處理工藝使其獲得理想的內部組織狀態，便于進一步的加工成形。由目前的研究生產結果可知，鋯及鋯合金的自由鍛工藝性能較好，其鍛造工藝流程如圖1所示。

圖1 鋯合金鍛造工藝流程

1.2.2 鍛造工藝參數和設備

由于鋯及鋯合金在熱態下的化學活性較大，考慮到鍛前加熱質量，因此在工業生產中廣泛應用的鋯及鋯合金鍛前加熱一般采用中、高溫的電阻爐，可以精確控制爐子溫度及加熱速度。鋯合金鑄錠一般采用兩段式加熱規范，當其表面溫度達到預定加熱溫度后再進行一定時間的保溫，保溫時間不能太長，以免鋯合金表面被過分氧化。表1 是鋯合金在電阻爐中加熱時的工藝參數。

表1 鋯合金鍛造加熱工藝參數

由于體心立方的β-Zr 比密排六方的α-Zr 塑性高、變形抗力低，因此，鋯合金的鍛造加熱和主要變形均是在β 相區進行，鍛造溫度一般控制在950～1100℃，首次終鍛溫度不能低于700℃，之后可以適當降低。

鋯合金的高溫變形性能相對較好，鍛造加工采用的設備沒有特殊要求，可選用黑色金屬及有色合金常用鍛壓設備，比如鍛錘、機械壓力機和液壓機等。

2 鋯合金的應用情況

因鋯合金具有很低的熱中子吸收截面積和很好的抗腐蝕性能，所以它在核工業中應用比較多，核反應堆中鋯合金零部件主要包括燃料包殼管、控制棒導向管、壓力管、元件盒及其它結構材料等。除了傳統的Zr-4 合金外，核工業用鋯合金逐漸衍生出了新型的高性能鋯合金，例如NZ2 和NZ8，研究發現用該材料加工得到的工件在高溫水及高溫蒸汽環境中的耐腐蝕性能更優[4-6]。

在深海和空間探測領域等特殊環境下長期服役的組件一般會面臨疲勞損傷、氧原子侵蝕和磨損等問題[8]。原有技術使用的20Cr 等合金鋼已經無法滿足這些構件的壽命要求，而鋯及其合金具有熱膨脹系數小、抗輻照損傷等潛質，在空間探測等特殊領域的非常規環境下具有很大的使用潛力，尤其是新研發的高強韌鋯合金（如Zr45Ti5Al3V），使用優勢更加明顯。

由于鋯及其合金對各種酸質環境耐腐蝕性強，因此在化工領域的應用也非常多，例如閥門、耐酸泵、耐熱泵、熱交換管、攪拌器和噴嘴等。鋯在醋酸工業中廣泛應用于設備、管道、反應器、容器、攪拌器、換熱器、泵和閥門等[9-10]。醋酸裝置中用到的鋯合金牌號主要為ZrR60702 和ZrR60705，一般多采用ZrR60702，在強度要求較高的場合一般采用ZrR60705[11-12]。

另外，鋯在牙科領域也一直占有重要的應用地位。由于氧化鋯具有一定的化學穩定性和生物相容性，氧化鋯陶瓷已經成為非常暢銷而受歡迎的牙科材料。

經研究發現α+β 雙相和β 單相鋯合金與我們人體的肌肉、骨骼和腦組織有很好的生物相容性。此外，β 單相合金與α 單相合金相比具有較好的耐蝕性及耐磨性，是一種非常有潛力的外科植入用合金，可以在生物醫用材料和醫療器械中使用[2]。

3 鋯合金塑性成形技術關鍵

鋯合金塑性成形方法主要包括鍛造、擠壓和軋制。影響其塑性加工變形的因素較多，主要有應變速率、溫度、相變狀態及摩擦狀況等。還有學者研究發現ZrTiAlV 合金在應變速率為10-2s-1、變形溫度為1000℃時進行熱壓縮后的耐腐蝕性比其他溫度條件下更高[13]。除此之外，變形程度，或是變形道次，也是一個重要影響因素。

鋯及鋯合金在高溫下化學活性非常高，因此在熱塑性變形時，要做好抗氧化保護，比如在材料表面涂覆玻璃潤滑劑，不僅可防止氧化，還可起到潤滑作用。對于鋯合金結構鍛件的成形，除了加熱環節外，鍛造工藝與鍛模結構設計無疑也是影響鋯合金鍛件生產成本及材料利用率的關鍵因素。

4 結語

從現有研究情況可知，鋯合金應用已經涉及到了國民經濟以及國防建設的諸多領域，除了核工業以及化工產業的應用比較成熟外，在航空航天以及醫學方面的應用也逐步深入，尤其是新型高強韌鋯合金材料的研究發現，更是推進了鋯合金的廣泛應用。

促進鋯合金應用的關鍵是鋯合金制品的加工成形。鍛造成形是鋯合金塑性加工的重要環節，但對于鋯合金的可鍛性、應變速率和成形力的影響關系，以及鋯合金工藝塑性和變形抗力的牽制影響規律等內容亟需進行詳細研究，以提高鋯合金鍛件的成形質量，拓展鋯合金在更多特殊環境領域的廣泛應用。