高强韧锆合金发展现状与实践探析
马天洋 丁郁航 孙涛涛 刘琼
【摘? 要】论文综述了高强韧锆合金的发展现状和制备工艺，同时对高强韧锆合金在航天、核电、化工等领域的应用实践进行重点阐述，最后指出，在选择合适的锆合金合金元素的基础上，深入研究高强韧锆合金的制备工艺是重中之重。
【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.
【关键词】高强韧锆合金;发展现状;实践
【Keywords】 high strength and toughness zirconium alloy; development status; practice
【中图分类号】TG146? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）07-0176-02
1 引言
开发新锆合金替代传统锆合金一直是各国学者研究的重点及难点，而高强韧锆合金因其良好的耐蚀性、尺寸结构稳定等特性，在我国工业领域越来越受到广泛关注。随着我国锆合金加工技术的不断创新，锆合金抗拉强度提高、力学性能逐渐完善，而在锆合金韧性增加后，该类合金可被实践于特殊生产环境中，解决我国工业生产中高温、低温条件下加工装置材料磨损问题。因此，本文对高强韧锆合金发展现状、制备工艺及其具体实践展开讨论，以梳理高强韧锆合金未来应用趋势。
2 高强韧锆合金的发展现状和制备
2.1 高强韧锆合金发展现状
在航天航空、工业领域中，锆及其合金可作为核反应堆外部外壳材料，与不锈钢合金相比，锆合金可凭借自身热中子吸收截面积小的特征，将中子及时反射，有助于节约铀燃料。但在深海、高铁路等领域运用锆合金时，受温度、空间辐射等因素影响，所用金属构件会产生尺寸不稳、摩擦磨损等问题，针对这类特殊应用场景，锆合金应用潜质逐渐显现。相较于传统金属材料，锆合金所制成金属结构，可抵抗空间损伤、原子氧侵蚀，然而，因纯锆抗拉强度有限，无法直接作为金属构件材料，需制备为高强韧锆合金，满足特殊环境金属结构装配要求。目前，相关人员所研制出的高强韧锆合金种类有ZrAl系、ZrTi系、ZrB系、ZrTiAl系，其抗拉强度远高于纯锆，发展前景广阔。
2.2 高强韧锆合金的制备
高强韧锆合金制备时，因锆合金本身熔点较高，其在高温条件下所凝固生成合金内部材料不均匀，容易造成锆合金力学性能受损问题。为此，需在制备期间，借助热处理工艺、持续变形结晶等方式，完善高合金力学性能，提高锆合金整体强度。另外，制备高强韧锆合金时，合金组织优化核心在于实现合金组织设计的等轴化，并且在新型锆合金制备中，需基于钛合金制备技术中的固溶时效控制、锻造等工艺，改进高强韧锆合金制备方案。具体来说，其制备技术是通过联合低温大塑性变形、复合工艺，获取锆双态、等轴锆合金组织制备数据，使高强韧锆合金抗拉强度指数增加为1500～1700MPa，且延伸率达到12%左右[1]。另外，某科研人员所制备的锆合金经优化工艺处理后，可在保障合金塑性基础上，使其抗拉强度提升到1600MPa，同时在650℃高温条件下，该高强韧锆合金抗拉强度仍然可控制在1400～1700MPa范围内，延伸率大于12%，应变曲线如图1所示。该种高强韧锆合金的研发与成功制备，可拓展锆合金力学性能限制，扩大高强韧锆合金应用范围。
3 高强韧锆合金的实践
3.1 在航天领域的实践
在航天领域中，高强韧锆合金综合性能测试结果表明，锆合金耐辐射、适应空间低温、耐辐照、耐磨损、超高真空功能明显优于传统合金，因此，可将其应用在航天领域空间机构构件组成方面。以高强韧锆合金Zr45Ti5Al3V为例，其合金基体硬度、抗拉强度分别为HRC42、1400MPa，延伸率为10%，核心表层处理后抗拉强度为1500MPa，满足航空空间机构组成结构材料性能需求。另外，高强韧合金在航天领域具体实践中，相关人员通过调整空间环境，对锆合金构件样品展开测试，以分析其在航天領域实践价值，具体测试流程如下：
第一，使用带电粒子创设辐照条件，待合金辐照后测试合金样品表面磨损、力学性能、纳米硬度。测试结果表明高强韧合金在空间机构所处环境中，经辐照后同样能够可靠使用。
第二，原子氧暴露后，经检测高强韧合金抗磨损、抗腐蚀能力明显增强，而利用3～9km/s的细小物质对合金样品展开高速冲击试验后，合金会相继产生塑性变形、再结晶情况，即合金在变形后可在高温条件支撑下再次结晶、表层硬化，以抗击外部环境中细小物质的冲击。
第三，将试验温度调整为零下100℃评估合金样品抗拉强度，拉伸试验表明，高强韧合金样品抗拉强度为1700MPa，延伸率为5%～7%。当温度条件改变为零下100℃到100℃时，锆合金抗拉强度变化幅度小，热膨胀系数约为6.5×10-6K-1，可使航天空间机构中活动部件处于高精度运行状态。
基于上述，航天领域中空间机构运行中，高强韧锆合金在低温、带电粒子辐照、原子氧侵蚀影响同样能够正常服役。因此，相关人员在优化高强韧锆合金制备方案前提下，成功制造空间结构活动部件，锆合金实践范围不断扩大，可有效解决航天领域空间机构材料使用的限制性问题。
3.2 在核电领域的实践
核能属于清洁型能源，经济性特点突出，核电领域中核动力装置安全、稳定性与核电装置包壳材料综合性能息息相关。高强韧锆合金作为堆芯材料之一，其在核电领域实践中可作为包壳材料确保核反应堆高效、安全运行。具体来说，高强韧锆合金凭借自身耐辐照、抗腐蚀等优异性能，用于核工业废水处理、核电站建造中。锆合金在核电领域渗透的初始阶段，我国核电站所用高强韧锆合金包括M5合金、Zirlo合金、E110合金。但是自2015年后，为实现锆合金国产化发展目标，我国锆合金研究力度不断强化，且资金投入增加。并且随着NZ2、NZ8锆合金研究的深入，我国已经研发出可满足核电站燃料损耗控制要求的锆合金，并在2020年可逐步取代进口锆合金材料，使高强韧锆合金可成功应用在国内核电领域，继而使核电领域中高强韧锆合金获得自主知识产权，改变国外垄断高强韧锆合金包壳材料生产技术的局面[2]。
3.3 在化工领域的实践
化工领域中，高强韧锆合金多用于工业废水处理、废气净化、甲醇回收装置制造中，逐步替代传统合金材料，并且在高强韧锆合金使用中，装置使用年限明显增加，是装置原有年限的3～6倍。具体来说，高强韧锆合金在化工领域实践中，可作为反应器、加工管道阀门、传动设備的主要材料，用以完善各装置力学性能。一方面，高强韧锆合金抗腐蚀性能支持下可用于醋酸、塑料等行业化工设备制造，如生产热交换器、阀门、反应器、管道等。据了解，我国在化工领域中塑料行业生产中所用锆合金材料约有500t，并且某企业使用高强韧锆合金所生的Zr-3锆板（管）材，属于工业级锆合金，整体质量可满足化工生产中压力容器基本要求，且与国外锆合金质量相当。因此，国内高强韧锆合金在实践中，已经逐步替代进口产品、锆合金材料，被用于建造化工领域内的压力容器、处理装置。另一方面，锆合金不仅耐蚀性较强，且传热性能、力学性能良好，可在石油化工领域中作为工业产品耐蚀结构材料，辅助搅拌器、喷雾器、除雾器、热交换器设备加工，同时凭借自身成本优势，可作为化工产品主材料。
4 结语
综上所述，锆合金在各领域的普及性提高，对我国化工、核电、航天领域内部建设意义重大。但由于传统锆合金力学性能尚未完善，限制着锆合金在各领域的实践，导致锆合金应用价值难以体现。随着高强韧锆合金的研发与运用，锆合金支撑下的工业设备及产品综合性能不断完善，使得锆合金在各领域的实践范围越来越广泛。因此，为推动我国工业文明发展，在选择合适的锆合金合金元素的基础上，深入研究高强韧锆合金的制备工艺是重中之重。
【参考文献】
【1】钟海燕，袁孚胜.高强高导铜铬锆合金的市场现状分析[J].有色冶金设计与研究，2019（01）：32-34.
【2】周云凯.Zr-Ti二元合金的强韧化及其组织演变[D].秦皇岛：燕山大学，2015.
