锆贾合金因拥有热中子截面吸收率低，密度和热膨胀系数幼，且在高温高压的刻薄的环境下还拥有优良力学机能和抗侵蚀机能的显著优势，被宽泛利用于核工业和化工行业。凭据锆中铪的含量，锆贾合金分为核级锆和工业级锆产品，其中铪含量幼于100 μg/g为核级锆，而锆和铪总含量在95.2%~99.5%之间为工业级锆[1-3]。目前国表出产工业级锆合金的公司重要有美国华昌、加拿大Cameco及瑞典Sandvik等公司。工业锆贾合金在极端的前提下，如氢氟酸、浓硫酸、无水有机卤化物的环境下不易形成氧化膜，锆表表会出现侵蚀的景象；工业锆在氧化前提下还会存在点坑和应力侵蚀的景象；有资料批注氟溶液和硫酸溶液对缝隙侵蚀敏感，易造成锆产品部门区域出现失效[4-6]。陪伴着对工业锆贾合金的出产和理论钻研的不休深刻，国核宝钛锆业股份公司实现了工业锆贾合金的出产、科研及理化机能检测，出产出的锆系列产品已宽泛利用于化工、医疗及海水侵蚀(紧固件)等行业。

本文概述了工业锆的合金化道理、力学机能、钻研近况及利用领域。

锆合金化道理

锆合金化的主张在于抑造其他杂质元素的有害作用，提高耐蚀机能。对于锆合金化目前尚无明确的理论。较为成熟的概想为Wagner-Hauffe假说，以为氧化膜中阴离子会沿着空位进行扩散，穿过氧化膜达到金属表表，而电子从金属表表向表活动，使氧化膜在金属和氧化膜处成长。氧化膜沿着两者平衡速度或者氧化膜中空位的置换速度是侵蚀速度的节造成分。因而，任何表来的间隙阳离子城市削减阴离子空位数量，降低氧离子的扩散，但是低于四价锆的置换阳离子和高于二价氧的阴离子城市使阴离子空位数增长，加快侵蚀。

锆位于元素周期表第IVB族，凭据Hauff原子价法规，若是参与同族或者VB、VIB、VIII族元素作为合金元素，当他们进入氧化膜时，将增长氧化膜内的电子浓度、削减膜中阴离子空位，从而可能抑造氧离子的扩散，降低侵蚀速度。锆离子中含有少量的铁、铬、镍的有利作用可能与此有关。锆中含有氮元素拥有严沉的有害作用，原因可能是N3–可能置换氧化物晶格中的氧离子，产生附加的空位，从而加快锆的侵蚀，但是如果增长锡的含量后，因N3–及氧离子空位力争停顿在Sn3+左近，三者结合后可动性差，故使空位迁徙率降低，所以锡可能减弱氮的有害作用，降低锆的侵蚀速度。

凭据上述法规，理论上以锆的同族元素进行合金化对改善锆的耐侵蚀机能最有利。元素周期表中Ti、Hf(IVB族)和Si、Pb、Ge、Sn、C(IVA族)中Ti对锆的耐蚀性有害；Hf易恶化锆的抗侵蚀作用；Pb熔点很低；Si和Ge的晶胞均为钻石立方结构，原子半径同锆相差太悬殊，不易溶于密排立方结构的α-锆中，并且险些不溶于β-锆中，所以只有Sn是第IVA族元素中惟一能作为锆的合金化元素。在元素周期表中V、Nb、Ta(VB族)和N、P、As、Sb、Bi(VA族)中N和V对锆的耐蚀机能有害；As、Sb、Bi熔点低；Ta价值昂贵且减弱产品的力学机能，因而只有Nb可作为锆的合金化元素。另表，第VIB族中的Cr、Mo和第VIIIB族中的Fe、Ni可作为锆的合金化元素，尝试批注，当Cr、Fe和Ni同时参与锆中时能改善锆合金的耐蚀机能，但是过多的Ni会诱发锆合金吸氢的偏差行为。

目前较为成熟的锆贾合金别离有：Zr-4(主成分为Zr-Sn-Fe-Cr系)、E110(Zr-Nb系)和Zirlo(Zr-Sn-Nb系)，这几种合金属于核级锆，已经成功利用于核反映堆中的结构资料和包壳资料。依照合金中的氧含量的差距，国表将工业锆合金分为R60700、R60702、R60703、R60704、R60705和R60706系列合金。R60700是低氧纯锆、R60702和R60703是纯锆、R60704是锆锡合金、R60705和R60706是锆铌合金。各系列合金重要化学成分如表1所示[3-5]。

工业锆力学机能

传统的工业锆贾合金重要是R60702和R60705。

在分歧温度下的力学机能别离如图1和图2所示。从图1可见，在室温至350 ℃的区间下，R60702锆合金的抗拉强度和屈服强度出现降低的趋向，而延长率则先升高后降低随后又呈升高的趋向，因而200 ℃是R60702力学机能的转折点。从图2可知，在室温至500 ℃的区间下，R60705锆合金的抗拉强度和屈服强度同样出现降低的趋向，而延长率则呈先升高后降低趋向；同时200 ℃为R60705力学机能的转折点。但是在低于200 ℃时，R60705锆合金的强度显著优于R60702的强度，而延长率则相反，所以在现实利用中应按需选择、区别对待。

工业锆的利用

传统石油、化工及医疗行业中使用的不锈钢和镍基合金结构件或零部件已不能齐全满足刻薄前提下的工况需要，基于锆优良抗侵蚀性及力学机能特点，锆贾合金在化工、医药及其他领域中阐扬着越来越沉要的作用。

传统大型储硫酸容器是指容量在100 m3以上，由罐壁、罐顶、罐底及附件组成的大型容器，介质为质量分数20%的稀硫酸，工作温度为120~140 ℃，设计温度180 ℃。由于质量分数为20%的稀硫酸拥有很强的侵蚀性，对大型储酸罐的设计和资料选择提出了更高的要求。固然金属钽、钽铌拥有优良的抗侵蚀性，但是价值高昂(一台钽材或者钽铌资料的贮存罐是一台锆材贮存罐的3~4倍)且设备造作工艺不成熟，所以工业锆贾合金常作为大型储硫酸容器的首选资料。

醋酸出产过程中，反映器是其主题设备，工作温度为185 ℃，压力为28 MPa，侵蚀介质蕴含醋酸、碘甲烷、CO等，工作环境极度恶劣。选取工业级锆材的设备蕴含锆反映器、换热器、管路、冷凝器、换热器、泵、阀、搅拌器、塔盘等；锆材产品重要蕴含锆管、宽厚板、锆棒、大口径管路、管件、锻件等资料齐全满足醋酸化工过程的需要。

目前利用于盐酸有关流程的锆材设备蕴含泵、阀、管路、冷凝器及蒸发器等。锆在盐酸环境中拥有较宽的耐侵蚀温度领域，如在质量分数为10%的盐酸中使用的最高温度可达250 ℃，在质量分数为37%的盐酸环境中使用的最高温度可达130 ℃。锆在盐酸中拥有较长使用寿命，实际批注锆材换热器和泵的使用功夫已经超过20年，并且锆在盐酸的环境下不会扭转燃料色彩。

锆造反映器和热互换器在尿素合成工业中的利用已有 30 多年的汗青。使用工业级锆材设备能够使反映在较高的温度和压力下进行，从而使反映进行得更快。目前，在双氧水出产中根基选取锆材作为设备的结构资料。用工业级锆材造作水解管和浓缩管后，削减了循环介质中铅的传染[7-9]。

空间技术是当现代界高新技术水平的集中体现，是衡量一个国度综合国力的沉要标志。随着我国月球探测、深空探测、空间露出、空间利用等方面的工作越来越频仍，高靠得住性、长命命、轻量化的航天器设计与造作是未来空间技术钻研者沉点关注的课题和方向。传统的合金钢和钛合金已经远不能满足空间活动构件在空间低温、交变温度、辐照、严沉摩擦磨损和冷焊等刻薄环境下的持久运行，文件[10]选取优化成分的伎俩，提出了可作为空间活动构件使用的锆系合金资料的最佳系统与组成。

实现语

锆合金已经宽泛利用于国民经济、国防建设、核工业等多多领域，出格是在化工出产中拥有宽泛的利用远景。陪伴着我国化工和空间领域的发展，火急必要研造出高机能的新型工业锆产品。固然我国新型工业锆产品还处于研造的低级阶段，但是新型工业锆已经阐发出优异的综合机能和巨大的利用潜力。因而，核结构资料出产加工钻研者应进一步加强新型工业锆的技术钻研并强化其利用，这对加快我国工业化和空间领域的发展拥有沉要意思。

参考文件

[1]扎依莫夫斯基. 核动力用锆合金. 北京：原子能出版社，1988

[2]核资料会议文集编纂幼组编. 核资料会议文集(1982). 北京：原子能出版社，1982

[3]李献军，夏峰，文志刚. 等. 工业纯锆机能和利用//第五届全国侵蚀大会论文集. 北京，2009：9

[4]李献军，王镐，文志刚. 等. 工业级锆在化学工业的利用近况及远景分析//中国有色金属工业协会钛锆铪分会2012年锆行业大会论文集. 北京，2012：57

[5]张孝全. 锆在化学工业中的重要利用. 罕见金属资料与工程，1983(2)：84

[6]海敏娜，王文，黄帆. 等. 工业级锆贾合金焊接钻研进展. 焊接工艺，2018(7)：87

[7]付维军，雷忠荣，贺旭明. 等. 大型锆硫酸储罐的设计及造作难点分析.石油化工设备，2014(8)：40

[8]张翼，郭学会，曹彦，等. 锆材焊接新工艺在醋酸项目中的利用.河南化工，2012，29：56

[9]陈慧聪. 锆在盐酸和有机溶剂中的利用. 石油和化工设备，2018，21：67

[10] 张新宇，马明臻，梁顺兴. 等. 新型锆合金设计与强韧化钻研进展. 燕山大学学报，2014，38(6)：471

作者简介：胡娟(1971—)，女，高级工程师，工作于国度电力投资集团，重要钻研方向：核燃料与资料，E-mail：hujuan@spic.com.cn。