Zr—3的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

高揚　沈艷祥　李哲

【摘 要】鋯作為耐氧化、耐腐蝕的易加工金屬，在海洋、化工和核工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文綜述了工業(yè)純鋯Zr-3（ASTM中R60702）的成分及制備，力學(xué)性能及影響因素，焊接工藝及耐腐蝕性。本文闡述了Zr-3在一般工業(yè)上的應(yīng)用，并展望其在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Zr-3；R60702；工業(yè)純鋯；性能研究；核工業(yè)應(yīng)用

鋯（Zirconium）位于元素周期表第IV-B族，室溫下晶界結(jié)構(gòu)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，在865℃時發(fā)生相變，由α-Zr轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β-Zr。由于金屬鋯具有高熔點（1852℃），耐氧化，優(yōu)異的耐腐蝕性，良好的導(dǎo)熱性能（熱導(dǎo)率22Wm-1K-1），熱中子吸收截面?。▽?200m/s的中子，俘獲截面0.185×10-28m2）以及良好的加工性能和力學(xué)性能，純鋯及其合金常被制成管材、板材、棒材、鍛件等用于海洋、化工和核工業(yè)領(lǐng)域。關(guān)于鋯及其合金如Zr-1（R60700）、Zr-2（R60802）、Zr-3（R60702）、Zr-4（R60804）、Zr-5（R60705）、M5（Zr-1.0Nb-0.16O）等，在微觀組織、退火行為、耐氧化、耐腐蝕性以及應(yīng)用等方面國內(nèi)外已進(jìn)行了大量報道，對于Zr-3在化工領(lǐng)域壓力容器或換熱器的應(yīng)用，業(yè)已進(jìn)行了深入討論。本文主要綜述工業(yè)純鋯Zr-3（ASTM中R60702）的成分及制備，力學(xué)性能及影響因素，焊接工藝及耐腐蝕性，及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 工業(yè)純鋯Zr-3的制備及成分

目前，常用的鋯合金熔煉方法有三種：真空非自耗電弧爐熔煉、水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉和真空自耗感應(yīng)熔煉。真空自耗電弧爐熔煉法是工業(yè)上生產(chǎn)金屬鋯的主要方法，通過加入不同含量的不同元素（Fe、Cr、Sn、Nb等），可以得到適應(yīng)不同實際需求的鋯合金。中國國標(biāo)和美國標(biāo)準(zhǔn)中Zr-3（R60702）的化學(xué)成分含量列于表1。

表1 Zr-3的化學(xué)成分[1-4]

從表1可以看出，Zr-3（R60702）的化學(xué)成分中含有鉿元素，其含量不大于（4.5±0.10）%。金屬鉿是有效的長壽命中子吸收材料，具有熱中子吸收截面較大（1.15×10-26m2），良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，熔點高等特點。除了對于熱中子吸收性能的差別，鉿的耐腐蝕性甚至還要優(yōu)于鋯，因此，Zr-3中鉿元素的存在對于其在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)用并無影響。

2 Zr-3的力學(xué)性能研究

中國國標(biāo)和美國標(biāo)準(zhǔn)中退火態(tài)Zr-3的管材、板材、棒材、鍛件的力學(xué)性能列于表2。

表2 Zr-3的力學(xué)性能

通過控制加工變形量和退火溫度，Zr-3可以獲得不同的組織性能。隨著變形量的增加，位錯密度和孿晶數(shù)量增加，組織更加精細(xì)，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，但延伸率降低。試驗證明，當(dāng)變形量達(dá)到90%時，Zr-3材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可分別提高到723MPa和637MPa，但延伸率降低到了10.8%；在變形量40%時，Zr-3的應(yīng)變軟化和硬化臨界應(yīng)變速率為1×10-2s-1。在500～700℃退火，Zr-3可以獲得較好的強(qiáng)度和延伸率[5-7]。

3 Zr-3的耐蝕性及焊接性研究

鋯是鈍化金屬，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.539V。鋯與氧有很強(qiáng)的親和力，在室溫就可以和空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)生成致密的氧化膜，從而保護(hù)基體金屬。研究表明，Zr-3在500～700℃氧化后表面的氧化物主要為ZrO2，表面硬度增加[8]。純鋯對于干氯氣、過氧化氫、苛性堿、發(fā)煙硫酸、鹽酸、醋酸等具有優(yōu)異的耐腐蝕性，但在氫氟酸、濃磷酸、濃硫酸、溴水、王水、氫溴酸中容易發(fā)生腐蝕，并在含F(xiàn)e3+、Cu2+的鹽酸中可能會發(fā)生點蝕與應(yīng)力腐蝕[9]。

鋯的焊接性和鉻鎳不銹鋼近似，熱膨脹系數(shù)（5.5×10-6/℃）是工程用金屬材料中最低的，焊接變形小。彈性模量（海綿鋯8.96×104MPa）較小，焊接殘余應(yīng)力小。但在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)防氮、氧、碳、氫等間隙元素的污染，避免產(chǎn)生氣孔和間隙腐蝕。鋯材的焊接方法很多，包括熔焊、釬焊、固態(tài)焊等，最常用的焊接方法之一是TIG焊。研究表明，Zr-3（R60702）的TIG焊接接頭中熱影響區(qū)的耐腐蝕性最差，在5mol/L的醋酸溶液中，熱影響區(qū)的點蝕情況較為嚴(yán)重，焊縫區(qū)的耐蝕性較差，母材的耐蝕性不受影響[10-11]。

4 Zr-3材料的應(yīng)用

在石油、化工、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中苛刻的腐蝕條件下，不銹鋼和鎳基合金都無法滿足使用要求時，鋯材是優(yōu)異的材料選擇。

醋酸工業(yè)中，國內(nèi)外廠家廣泛采用鋯反應(yīng)器、換熱器、管道等，合肥某家機(jī)械研究院研制的采用Zr-3板制作的醋酸生產(chǎn)中的冷卻器，為鋯設(shè)備國產(chǎn)化提供了寶貴的經(jīng)驗。硫酸工業(yè)中，鋯制殼式和管式換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨換熱器。鋯材設(shè)備對于工業(yè)中高濃度硝酸也比不銹鋼和鈦材具有優(yōu)勢，國外一家化工廠處理99%濃度的硝酸時，采用了鋯制U型管冷卻器。在氯化洗滌器，鋯材代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料部件，使其使用壽命可提高到25年。在最早使用鋯制設(shè)備的尿素工業(yè)中，鋯材主要用于熱交換器、冷凝器、反應(yīng)器、管道系統(tǒng)、泵閥及密封件。由于鋯的無毒且耐鹽酸腐蝕，鋯材還廣泛應(yīng)用與食品和醫(yī)藥生產(chǎn)中[12-13]。

相比不銹鋼，鋯材的價格要昂貴許多。對于在苛刻的腐蝕環(huán)境下使用，雖然設(shè)備投資較大，但從設(shè)備壽命、工人勞動強(qiáng)度、安全環(huán)保等方面綜合考慮，成本是降低的。

5 結(jié)語

目前，鋯材在核工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，核燃料及附屬材料中采用鋯的氟化物作為液體燃料的熔鹽；采用Zr-2（R60802）和Zr-4（R60804）合金制作燃料元件的包套管；采用M5（Zr-1.0Nb-0.16O）合金制造的包殼材料用于AFA3G燃料組件中等。工業(yè)純鋯Zr-3在一般工業(yè)領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用，且對其性能、焊接和耐蝕性的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，結(jié)合核電廠設(shè)備的壽命相對較長及較難更換的特點，對于Zr-3材料應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)備的研究有待完善。

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[責(zé)任編輯：王楠]