鋯合金材料加工技術(shù)及應(yīng)用研究

耿 佩，龔小濤，馬 晶，周 超

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)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(diǎn)較高、密度適中、強(qiáng)度優(yōu)良、膨脹系數(shù)低、彈性模量小，并在較高溫度下的多種介質(zhì)中具有良好的耐蝕性；鋯及其合金具有優(yōu)異的壓力加工和機(jī)械加工性能，可加工成現(xiàn)代工業(yè)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(chǎn)工藝相對(duì)比較成熟。Zr-Sn 系常見(jiàn)牌號(hào)有Zr-2、Zr-4，Zr-Nb 系的典型牌號(hào)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(qiáng)度、耐腐蝕性和耐蝕膜的導(dǎo)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(shù)

1.1 鋯合金擠壓成形

鋯合金在核反應(yīng)堆中主要用于結(jié)構(gòu)材料的包殼件等，是反應(yīng)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(guò)經(jīng)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(yè)中常用的鋯合金材料一般流動(dòng)性較差，在擠壓工藝中容易產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或擠壓力過(guò)大，導(dǎo)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(rùn)滑措施。為此，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研究找出了一種鋯合金擠壓專用潤(rùn)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(rùn)滑工藝，可有效避免擠壓過(guò)程中金屬粘針、粘筒、粘模等現(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。

1.2 鋯合金鍛造成形

鍛造加工作為鋯合金產(chǎn)品生產(chǎn)的重要一步，其主要作用是破碎鑄態(tài)組織、提高金屬的綜合性能，即在獲得合理坯料尺寸的同時(shí)，為后續(xù)淬火、擠壓及軋制過(guò)程提供必要的組織基礎(chǔ)[3]。實(shí)際生產(chǎn)中，為保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量，鑄錠和變形坯料的加熱應(yīng)制定合適的加熱規(guī)范，并控制好加熱爐內(nèi)氣氛。當(dāng)保持其他工藝參數(shù)不變時(shí)，不同的鍛前加熱制度對(duì)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(guò)高溫熔煉之后后得到的鋯鑄錠，因其內(nèi)部存在夾雜、疏松等鑄造缺陷，導(dǎo)致其組織性能較差，因此鋯合金鑄錠也要經(jīng)過(guò)大的鍛造變形和熱處理工藝使其獲得理想的內(nèi)部組織狀態(tài)，便于進(jìn)一步的加工成形。由目前的研究生產(chǎn)結(jié)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(shù)和設(shè)備

由于鋯及鋯合金在熱態(tài)下的化學(xué)活性較大，考慮到鍛前加熱質(zhì)量，因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)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(guī)范，當(dāng)其表面溫度達(dá)到預(yù)定加熱溫度后再進(jìn)行一定時(shí)間的保溫，保溫時(shí)間不能太長(zhǎng)，以免鋯合金表面被過(guò)分氧化。表1 是鋯合金在電阻爐中加熱時(shí)的工藝參數(shù)。

表1 鋯合金鍛造加熱工藝參數(shù)

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(qū)進(jìn)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(dāng)降低。

鋯合金的高溫變形性能相對(duì)較好，鍛造加工采用的設(shè)備沒(méi)有特殊要求，可選用黑色金屬及有色合金常用鍛壓設(shè)備，比如鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)等。

2 鋯合金的應(yīng)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(yè)中應(yīng)用比較多，核反應(yīng)堆中鋯合金零部件主要包括燃料包殼管、控制棒導(dǎo)向管、壓力管、元件盒及其它結(jié)構(gòu)材料等。除了傳統(tǒng)的Zr-4 合金外，核工業(yè)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(fā)現(xiàn)用該材料加工得到的工件在高溫水及高溫蒸汽環(huán)境中的耐腐蝕性能更優(yōu)[4-6]。

在深海和空間探測(cè)領(lǐng)域等特殊環(huán)境下長(zhǎng)期服役的組件一般會(huì)面臨疲勞損傷、氧原子侵蝕和磨損等問(wèn)題[8]。原有技術(shù)使用的20Cr 等合金鋼已經(jīng)無(wú)法滿足這些構(gòu)件的壽命要求，而鋯及其合金具有熱膨脹系數(shù)小、抗輻照損傷等潛質(zhì)，在空間探測(cè)等特殊領(lǐng)域的非常規(guī)環(huán)境下具有很大的使用潛力，尤其是新研發(fā)的高強(qiáng)韌鋯合金（如Zr45Ti5Al3V），使用優(yōu)勢(shì)更加明顯。

由于鋯及其合金對(duì)各種酸質(zhì)環(huán)境耐腐蝕性強(qiáng)，因此在化工領(lǐng)域的應(yīng)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(yè)中廣泛應(yīng)用于設(shè)備、管道、反應(yīng)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(hào)主要為ZrR60702 和ZrR60705，一般多采用ZrR60702，在強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合一般采用ZrR60705[11-12]。

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

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)α+β 雙相和β 單相鋯合金與我們?nèi)梭w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(yī)用材料和醫(yī)療器械中使用[2]。

3 鋯合金塑性成形技術(shù)關(guān)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(yīng)變速率、溫度、相變狀態(tài)及摩擦狀況等。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)ZrTiAlV 合金在應(yīng)變速率為10-2s-1、變形溫度為1000℃時(shí)進(jìn)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(gè)重要影響因素。

鋯及鋯合金在高溫下化學(xué)活性非常高，因此在熱塑性變形時(shí)，要做好抗氧化保護(hù)，比如在材料表面涂覆玻璃潤(rùn)滑劑，不僅可防止氧化，還可起到潤(rùn)滑作用。對(duì)于鋯合金結(jié)構(gòu)鍛件的成形，除了加熱環(huán)節(jié)外，鍛造工藝與鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)疑也是影響鋯合金鍛件生產(chǎn)成本及材料利用率的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)語(yǔ)

從現(xiàn)有研究情況可知，鋯合金應(yīng)用已經(jīng)涉及到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建設(shè)的諸多領(lǐng)域，除了核工業(yè)以及化工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用比較成熟外，在航空航天以及醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用也逐步深入，尤其是新型高強(qiáng)韌鋯合金材料的研究發(fā)現(xiàn)，更是推進(jìn)了鋯合金的廣泛應(yīng)用。

促進(jìn)鋯合金應(yīng)用的關(guān)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(huán)節(jié)，但對(duì)于鋯合金的可鍛性、應(yīng)變速率和成形力的影響關(guān)系，以及鋯合金工藝塑性和變形抗力的牽制影響規(guī)律等內(nèi)容亟需進(jìn)行詳細(xì)研究，以提高鋯合金鍛件的成形質(zhì)量，拓展鋯合金在更多特殊環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。