鋯靶廠家談高強韌鋯合金發(fā)展及其在航天核電化工等領域的應用前景

1、引言

開發(fā)新鋯合金替代傳統(tǒng)鋯合金一直是各國學者研究的重點及難點，而高強韌鋯合金因其良好的耐蝕性、尺寸結構穩(wěn)定等特性，在我國工業(yè)領域越來越受到廣泛關注。隨著我國鋯合金加工技術的不斷創(chuàng)新，鋯合金抗拉強度提高、力學性能逐漸完善，而在鋯合金韌性增加后，該類合金可被實踐于特殊生產(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，本文對高強韌鋯合金發(fā)展現(xiàn)狀、制備工藝及其具體實踐展開討論，以梳理高強韌鋯合金未來應用趨勢。

2、高強韌鋯合金的發(fā)展現(xiàn)狀和制備

2.1 高強韌鋯合金發(fā)展現(xiàn)狀

在航天航空、工業(yè)領域中，鋯靶、鋯棒、鋯管、鋯板等鋯及其合金可作為核反應堆外部外殼材料，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、高鐵路等領域運用鋯合金時，受溫度、空間輻射等因素影響，所用金屬構件會產(chǎn)生尺寸不穩(wěn)、摩擦磨損等問題，針對這類特殊應用場景，鋯合金應用潛質逐漸顯現(xiàn)。相 較于傳統(tǒng)金屬材料，鋯合金所制成金屬結構，可抵抗空間損傷、原子氧侵蝕，然而，因純鋯抗拉強度有限，無法直接作為金屬構件材料，需制備為高強韌鋯合金，滿足特殊環(huán)境金屬結構裝配要求。目前，相關人員所研制出的高強韌鋯合金種類有ZrAl 系、ZrTi 系、ZrB 系、ZrTiAl 系，其抗拉強度遠高于純鋯，發(fā)展前景廣闊。

2.2 高強韌鋯合金的制備

高強韌鋯合金制備時，因鋯合金本身熔點較高，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)變形結晶等方式，完善高合金力學性能，提高鋯合金整體強度。另外，制備高強韌鋯合金時，合金組織優(yōu)化核心在于實現(xiàn)合金組織設計的等軸化，并且在新型鋯合金制備中，需基于鈦合金制備技術中的固溶時效控制、鍛造等工藝，改進高強韌鋯合金制備方案。具體來說，其制備技術是通過聯(lián)合低溫大塑性變形、復合工藝，獲取鋯雙態(tài)、等軸鋯合金組織制備數(shù)據(jù)，使高強韌鋯合金抗拉強度指數(shù)增加為1500~1700MPa，且延伸率達到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上，使其抗拉強度提升到1600MPa，同時在650益高溫條件下，該高強韌鋯合金抗拉強度仍然可控制在1400~1700MPa 范圍內(nèi)，延伸率大于12%，應變曲線如圖1 所示。

該種高強韌鋯合金的研發(fā)與成功制備，可拓展鋯合金力學性能限制，擴大高強韌鋯合金應用范圍。

3、高強韌鋯合金的實踐

3.1 在航天領域的實踐

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

第一，使用帶電粒子創(chuàng)設輻照條件，待合金輻照后測試合金樣品表面磨損、力學性能、納米硬度。測試結果表明高強韌合金在空間機構所處環(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)檢測高強韌合金抗磨損、抗腐蝕能力明顯增強，而利用3~9km/s 的細小物質對合金樣品展開高速沖擊試驗后，合金會相繼產(chǎn)生塑性變形、再結晶情況，即合金在變形后可在高溫條件支撐下再次結晶、表層硬化，以抗擊外部環(huán)境中細小物質的沖擊。

第三，將試驗溫度調(diào)整為零下100益評估合金樣品抗拉強度，拉伸試驗表明，高強韌合金樣品抗拉強度為1700MPa，延伸率為5%~7%。當溫度條件改變?yōu)榱阆?00益到100益時，鋯合金抗拉強度變化幅度小，熱膨脹系數(shù)約為6.5×10^-6K^-1，可使航天空間機構中活動部件處于高精度運行狀態(tài)。

基于上述，航天領域中空間機構運行中，高強韌鋯合金在低溫、帶電粒子輻照、原子氧侵蝕影響同樣能夠正常服役。因此，相關人員在優(yōu)化高強韌鋯合金制備方案前提下，成功 制造空間結構活動部件，鋯合金實踐范圍不斷擴大，可有效解決航天領域空間機構材料使用的限制性問題。

3.2 在核電領域的實踐

核能屬于清潔型能源，經(jīng)濟性特點突出，核電領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。高強韌鋯合金作為堆芯材料之一，其在核電領域實踐中可作為包殼材料確保核反應堆高效、安全運行。具體來說，高強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。鋯合金在核電領域滲透的初始 階段，我國核電站所用高強韌鋯合金包括M5 合金、Zirlo 合金、E110 合金。但是自2015 年后，為實現(xiàn)鋯合金國產(chǎn)化發(fā)展目標，我國鋯合金研究力度不斷強化，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 年可逐步取代進口鋯合金材料，使高強韌鋯合金可成功應用在國內(nèi)核電領域，繼而使核電領域中高強韌鋯合金獲得自主知識產(chǎn)權，改變國外壟斷高強韌鋯合金包殼材料生產(chǎn)技術的局面[2]。

3.3 在化工領域的實踐

化工領域中，高強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，高強韌鋯合金在化工領域實踐中，可作為反應器、加工管道閥門、傳動設備的主要材料，用以完善各裝置力學性能。一方面，高強韌鋯合金抗腐蝕性能支持下可用于醋酸、塑料等行業(yè)化工設備制造，如生產(chǎn)熱交換器、閥門、反應器、管道等。據(jù)了解，我國在化工領域中塑料行業(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，且與國外鋯合金質量相當。因此，國內(nèi)高強韌鋯合金在實踐中，已經(jīng)逐步替代進口產(chǎn)品、鋯合金材料，被用于建造化工領域內(nèi)的壓力容器、處理裝置。另一方面，鋯合金不僅耐蝕性較強，且傳熱性能、力學性能良好，可在石油化工領域中作為工業(yè)產(chǎn)品耐蝕結構材料，輔助攪拌器、噴霧器、除霧器、熱交換器設備加工，同時憑借自身成本優(yōu)勢，可作為化工產(chǎn)品主材料。

4、 結語

綜上所述，鋯合金在各領域的普及性提高，對我國化工、核電、航天領域內(nèi)部建設意義重大。但由于傳統(tǒng)鋯合金力學性能尚未完善，限制著鋯合金在各領域的實踐，導致鋯合金 應用價值難以體現(xiàn)。隨著高強韌鋯合金的研發(fā)與運用，鋯合金支撐下的工業(yè)設備及產(chǎn)品綜合性能不斷完善，使得鋯合金在各領域的實踐范圍越來越廣泛。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上，深入研究高強韌鋯合金的制備工藝是重中之重。

【參考文獻】

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

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

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