Zr—3的研究进展及应用前景

高扬　沈艳祥　李哲

【摘 要】锆作为耐氧化、耐腐蚀的易加工金属，在海洋、化工和核工业等领域有广泛的应用。本文综述了工业纯锆Zr-3（ASTM中R60702）的成分及制备，力学性能及影响因素，焊接工艺及耐腐蚀性。本文阐述了Zr-3在一般工业上的应用，并展望其在核工业领域的应用。

【关键词】Zr-3；R60702；工业纯锆；性能研究；核工业应用

锆（Zirconium）位于元素周期表第IV-B族，室温下晶界结构呈密排六方晶格结构，在865℃时发生相变，由α-Zr转变为体心立方结构的β-Zr。由于金属锆具有高熔点（1852℃），耐氧化，优异的耐腐蚀性，良好的导热性能（热导率22Wm-1K-1），热中子吸收截面小（对2200m/s的中子，俘获截面0.185×10-28m2）以及良好的加工性能和力学性能，纯锆及其合金常被制成管材、板材、棒材、锻件等用于海洋、化工和核工业领域。关于锆及其合金如Zr-1（R60700）、Zr-2（R60802）、Zr-3（R60702）、Zr-4（R60804）、Zr-5（R60705）、M5（Zr-1.0Nb-0.16O）等，在微观组织、退火行为、耐氧化、耐腐蚀性以及应用等方面国内外已进行了大量报道，对于Zr-3在化工领域压力容器或换热器的应用，业已进行了深入讨论。本文主要综述工业纯锆Zr-3（ASTM中R60702）的成分及制备，力学性能及影响因素，焊接工艺及耐腐蚀性，及其在工业领域的应用。

1 工业纯锆Zr-3的制备及成分

目前，常用的锆合金熔炼方法有三种：真空非自耗电弧炉熔炼、水冷铜坩埚感应熔炼和真空自耗感应熔炼。真空自耗电弧炉熔炼法是工业上生产金属锆的主要方法，通过加入不同含量的不同元素（Fe、Cr、Sn、Nb等），可以得到适应不同实际需求的锆合金。中国国标和美国标准中Zr-3（R60702）的化学成分含量列于表1。

表1 Zr-3的化学成分[1-4]

从表1可以看出，Zr-3（R60702）的化学成分中含有铪元素，其含量不大于（4.5±0.10）%。金属铪是有效的长寿命中子吸收材料，具有热中子吸收截面较大（1.15×10-26m2），良好的力学性能和耐腐蚀性能，熔点高等特点。除了对于热中子吸收性能的差别，铪的耐腐蚀性甚至还要优于锆，因此，Zr-3中铪元素的存在对于其在腐蚀介质环境下的应用并无影响。

2 Zr-3的力学性能研究

中国国标和美国标准中退火态Zr-3的管材、板材、棒材、锻件的力学性能列于表2。

表2 Zr-3的力学性能

通过控制加工变形量和退火温度，Zr-3可以获得不同的组织性能。随着变形量的增加，位错密度和孪晶数量增加，组织更加精细，抗拉强度增强，但延伸率降低。试验证明，当变形量达到90%时，Zr-3材料的抗拉强度和屈服强度可分别提高到723MPa和637MPa，但延伸率降低到了10.8%；在变形量40%时，Zr-3的应变软化和硬化临界应变速率为1×10-2s-1。在500～700℃退火，Zr-3可以获得较好的强度和延伸率[5-7]。

3 Zr-3的耐蚀性及焊接性研究

锆是钝化金属，其标准电极电位为-1.539V。锆与氧有很强的亲和力，在室温就可以和空气中氧气发生反应生成致密的氧化膜，从而保护基体金属。研究表明，Zr-3在500～700℃氧化后表面的氧化物主要为ZrO2，表面硬度增加[8]。纯锆对于干氯气、过氧化氢、苛性碱、发烟硫酸、盐酸、醋酸等具有优异的耐腐蚀性，但在氢氟酸、浓磷酸、浓硫酸、溴水、王水、氢溴酸中容易发生腐蚀，并在含Fe3+、Cu2+的盐酸中可能会发生点蚀与应力腐蚀[9]。

锆的焊接性和铬镍不锈钢近似，热膨胀系数（5.5×10-6/℃）是工程用金属材料中最低的，焊接变形小。弹性模量（海绵锆8.96×104MPa）较小，焊接残余应力小。但在焊接过程中应严防氮、氧、碳、氢等间隙元素的污染，避免产生气孔和间隙腐蚀。锆材的焊接方法很多，包括熔焊、钎焊、固态焊等，最常用的焊接方法之一是TIG焊。研究表明，Zr-3（R60702）的TIG焊接接头中热影响区的耐腐蚀性最差，在5mol/L的醋酸溶液中，热影响区的点蚀情况较为严重，焊缝区的耐蚀性较差，母材的耐蚀性不受影响[10-11]。

4 Zr-3材料的应用

在石油、化工、冶金、医药等工业领域中苛刻的腐蚀条件下，不锈钢和镍基合金都无法满足使用要求时，锆材是优异的材料选择。

醋酸工业中，国内外厂家广泛采用锆反应器、换热器、管道等，合肥某家机械研究院研制的采用Zr-3板制作的醋酸生产中的冷却器，为锆设备国产化提供了宝贵的经验。硫酸工业中，锆制壳式和管式换热器代替传统的石墨换热器。锆材设备对于工业中高浓度硝酸也比不锈钢和钛材具有优势，国外一家化工厂处理99%浓度的硝酸时，采用了锆制U型管冷却器。在氯化洗涤器，锆材代替传统的塑料部件，使其使用寿命可提高到25年。在最早使用锆制设备的尿素工业中，锆材主要用于热交换器、冷凝器、反应器、管道系统、泵阀及密封件。由于锆的无毒且耐盐酸腐蚀，锆材还广泛应用与食品和医药生产中[12-13]。

相比不锈钢，锆材的价格要昂贵许多。对于在苛刻的腐蚀环境下使用，虽然设备投资较大，但从设备寿命、工人劳动强度、安全环保等方面综合考虑，成本是降低的。

5 结语

目前，锆材在核工业中的应用较为广泛，核燃料及附属材料中采用锆的氟化物作为液体燃料的熔盐；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）合金制造的包壳材料用于AFA3G燃料组件中等。工业纯锆Zr-3在一般工业领域已有成熟的应用，且对其性能、焊接和耐蚀性的研究已经相当深入，结合核电厂设备的寿命相对较长及较难更换的特点，对于Zr-3材料应用于核工业设备的研究有待完善。

【参考文献】

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[责任编辑：王楠]