1、引言

開發(fā)新鋯合金替代傳統(tǒng)鋯合金一直是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，而高強(qiáng)韌鋯合金因其良好的耐蝕性、尺寸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性，在我國工業(yè)領(lǐng)域越來越受到廣泛關(guān)注。隨著我國鋯合金加工技術(shù)的不斷創(chuàng)新，鋯合金抗拉強(qiáng)度提高、力學(xué)性能逐漸完善，而在鋯合金韌性增加后，該類合金可被實(shí)踐于特殊生產(chǎn)環(huán)境中，解決我國工業(yè)生產(chǎn)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(qiáng)韌鋯合金發(fā)展現(xiàn)狀、制備工藝及其具體實(shí)踐展開討論，以梳理高強(qiáng)韌鋯合金未來應(yīng)用趨勢。

2、高強(qiáng)韌鋯合金的發(fā)展現(xiàn)狀和制備

2.1 高強(qiáng)韌鋯合金發(fā)展現(xiàn)狀

在航天航空、工業(yè)領(lǐng)域中，鋯及其合金可作為核反應(yīng)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(jié)約鈾燃料。但在深海、高鐵路等領(lǐng)域運(yùn)用鋯合金時，受溫度、空間輻射等因素影響，所用金屬構(gòu)件會產(chǎn)生尺寸不穩(wěn)、摩擦磨損等問題，針對這類特殊應(yīng)用場景，鋯合金應(yīng)用潛質(zhì)逐漸顯現(xiàn)。相 較于傳統(tǒng)金屬材料，鋯合金所制成金屬結(jié)構(gòu)，可抵抗空間損傷、原子氧侵蝕，然而，因純鋯抗拉強(qiáng)度有限，無法直接作為金屬構(gòu)件材料，需制備為高強(qiáng)韌鋯合金，滿足特殊環(huán)境金屬結(jié)構(gòu)裝配要求。目前，相關(guān)人員所研制出的高強(qiáng)韌鋯合金種類有 ZrAl 系、ZrTi 系、ZrB 系、ZrTiAl 系，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純鋯，發(fā)展前景廣闊。

2.2 高強(qiáng)韌鋯合金的制備

高強(qiáng)韌鋯合金制備時，因鋯合金本身熔點(diǎn)較高，其在高溫條件下所凝固生成合金內(nèi)部材料不均勻，容易造成鋯合金力學(xué)性能受損問題。為此，需在制備期間，借助熱處理工藝、持續(xù)變形結(jié)晶等方式，完善高合金力學(xué)性能，提高鋯合金整體強(qiáng)度。另外，制備高強(qiáng)韌鋯合金時，合金組織優(yōu)化核心在于實(shí)現(xiàn)合金組織設(shè)計(jì)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(shù)中的固溶時效控制、鍛造等工藝，改進(jìn)高強(qiáng)韌鋯合金制備方案。具體來說，其制備技術(shù)是通過聯(lián)合低溫大塑性變形、復(fù)合工藝，獲取鋯雙態(tài)、等軸鋯合金組織制備數(shù)據(jù)，使高強(qiáng)韌鋯合金抗拉強(qiáng)度指數(shù)增加為1500~1700MPa，且延伸率達(dá)到 12%左右 [1] 。另外，某科研人員所制備的鋯合金經(jīng)優(yōu)化工藝處理后，可在保障合金塑性基礎(chǔ)上，使其抗拉強(qiáng)度提升到 1600MPa，同時在 650益高溫條件下，該高強(qiáng)韌鋯合金抗拉強(qiáng)度仍然可控制在 1400~1700MPa 范圍內(nèi)，延伸率大于 12%，應(yīng)變曲線如圖 1 所示。

該種高強(qiáng)韌鋯合金的研發(fā)與成功制備，可拓展鋯合金力學(xué)性能限制，擴(kuò)大高強(qiáng)韌鋯合金應(yīng)用范圍。

3、高強(qiáng)韌鋯合金的實(shí)踐

3.1 在航天領(lǐng)域的實(shí)踐

在航天領(lǐng)域中，高強(qiáng)韌鋯合金綜合性能測試結(jié)果表明，鋯合金耐輻射、適應(yīng)空間低溫、耐輻照、耐磨損、超高真空功能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)合金，因此，可將其應(yīng)用在航天領(lǐng)域空間機(jī)構(gòu)構(gòu)件組成方面。以高強(qiáng)韌鋯合金 Zr45Ti5Al3V 為例，其合金基體硬度、抗拉強(qiáng)度分別為 HRC42、1400MPa，延伸率為 10%，核心表層處理后抗拉強(qiáng)度為 1500MPa，滿足航空空間機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)材料性能需求。另外，高強(qiáng)韌合金在航天領(lǐng)域具體實(shí)踐中，相關(guān)人員通過調(diào)整空間環(huán)境，對鋯合金構(gòu)件樣品展開測試，以分析其在航天領(lǐng)域?qū)嵺`價值，具體測試流程如下：

第一，使用帶電粒子創(chuàng)設(shè)輻照條件，待合金輻照后測試合金樣品表面磨損、力學(xué)性能、納米硬度。測試結(jié)果表明高強(qiáng)韌合金在空間機(jī)構(gòu)所處環(huán)境中，經(jīng)輻照后同樣能夠可靠使用。

第二，原子氧暴露后，經(jīng)檢測高強(qiáng)韌合金抗磨損、抗腐蝕能力明顯增強(qiáng)，而利用 3~9km/s 的細(xì)小物質(zhì)對合金樣品展開高速沖擊試驗(yàn)后，合金會相繼產(chǎn)生塑性變形、再結(jié)晶情況，即合金在變形后可在高溫條件支撐下再次結(jié)晶、表層硬化，以抗擊外部環(huán)境中細(xì)小物質(zhì)的沖擊。

第三，將試驗(yàn)溫度調(diào)整為零下 100益評估合金樣品抗拉強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)表明，高強(qiáng)韌合金樣品抗拉強(qiáng)度為 1700MPa，延伸率為 5%~7%。當(dāng)溫度條件改變?yōu)榱阆?100益到 100益時，鋯合金抗拉強(qiáng)度變化幅度小，熱膨脹系數(shù)約為 6.5伊10 -6 K -1 ，可使航天空間機(jī)構(gòu)中活動部件處于高精度運(yùn)行狀態(tài)。

基于上述，航天領(lǐng)域中空間機(jī)構(gòu)運(yùn)行中，高強(qiáng)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(guān)人員在優(yōu)化高強(qiáng)韌鋯合金制備方案前提下，成功制造空間結(jié)構(gòu)活動部件，鋯合金實(shí)踐范圍不斷擴(kuò)大，可有效解決航天領(lǐng)域空間機(jī)構(gòu)材料使用的限制性問題。

3.2 在核電領(lǐng)域的實(shí)踐

核能屬于清潔型能源，經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)突出，核電領(lǐng)域中核動力裝置安全、穩(wěn)定性與核電裝置包殼材料綜合性能息息相關(guān)。高強(qiáng)韌鋯合金作為堆芯材料之一，其在核電領(lǐng)域?qū)嵺`中可作為包殼材料確保核反應(yīng)堆高效、安全運(yùn)行。具體來說，高強(qiáng)韌鋯合金憑借自身耐輻照、抗腐蝕等優(yōu)異性能，用于核工業(yè)廢水處理、核電站建造中。鋯合金在核電領(lǐng)域滲透的初始 階段，我國核電站所用高強(qiáng)韌鋯合金包括 M5 合金、Zirlo 合金、E110 合金。但是自 2015 年后，為實(shí)現(xiàn)鋯合金國產(chǎn)化發(fā)展目標(biāo)，我國鋯合金研究力度不斷強(qiáng)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(jīng)研發(fā)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(jìn)口鋯合金材料，使高強(qiáng)韌鋯合金可成功應(yīng)用在國內(nèi)核電領(lǐng)域，繼而使核電領(lǐng)域中高強(qiáng)韌鋯合金獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，改變國外壟斷高強(qiáng)韌鋯合金包殼材料生產(chǎn)技術(shù)的局面 [2] 。

3.3 在化工領(lǐng)域的實(shí)踐

化工領(lǐng)域中，高強(qiáng)韌鋯合金多用于工業(yè)廢水處理、廢氣凈化、甲醇回收裝置制造中，逐步替代傳統(tǒng)合金材料，并且在高強(qiáng)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(qiáng)韌鋯合金在化工領(lǐng)域?qū)嵺`中，可作為反應(yīng)器、加工管道閥門、傳動設(shè)備的主要材料，用以完善各裝置力學(xué)性能。一方面，高強(qiáng)韌鋯合金抗腐蝕性能支持下可用于醋酸、塑料等行業(yè)化工設(shè)備制造，如生產(chǎn)熱交換器、閥門、反應(yīng)器、管道等。據(jù)了解，我國在化工領(lǐng)域中塑料行業(yè)生產(chǎn)中所用鋯合金材料約有 500t，并且某企業(yè)使用高強(qiáng)韌鋯合金所生的 Zr-3 鋯板（管）材，屬于工業(yè)級鋯合金，整體質(zhì)量可滿足化工生產(chǎn)中壓力容器基本要求，且與國外鋯合金質(zhì)量相當(dāng)。因此，國內(nèi)高強(qiáng)韌鋯合金在實(shí)踐中，已經(jīng)逐步替代進(jìn)口產(chǎn)品、鋯合金材料，被用于建造化工領(lǐng)域內(nèi)的壓力容器、處理裝置。另一方面，鋯合金不僅耐蝕性較強(qiáng)，且傳熱性能、力學(xué)性能良好，可在石油化工領(lǐng)域中作為工業(yè)產(chǎn)品耐蝕結(jié)構(gòu)材料，輔助攪拌器、噴霧器、除霧器、熱交換器設(shè)備加工，同時憑借自身成本優(yōu)勢，可作為化工產(chǎn)品主材料。

4、結(jié)語

綜上所述，鋯合金在各領(lǐng)域的普及性提高，對我國化工、核電、航天領(lǐng)域內(nèi)部建設(shè)意義重大。但由于傳統(tǒng)鋯合金力學(xué)性能尚未完善，限制著鋯合金在各領(lǐng)域的實(shí)踐，導(dǎo)致鋯合金 應(yīng)用價值難以體現(xiàn)。隨著高強(qiáng)韌鋯合金的研發(fā)與運(yùn)用，鋯合金支撐下的工業(yè)設(shè)備及產(chǎn)品綜合性能不斷完善，使得鋯合金在各領(lǐng)域的實(shí)踐范圍越來越廣泛。因此，為推動我國工業(yè)文 明發(fā)展，在選擇合適的鋯合金合金元素的基礎(chǔ)上，深入研究高強(qiáng)韌鋯合金的制備工藝是重中之重。

【參考文獻(xiàn)】

【1】鐘海燕,袁孚勝.高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金的市場現(xiàn)狀分析[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2019(01):32-34.

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

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