锆合金材料加工技术及应用研究

耿 佩，龚小涛，马 晶，周 超

（西安航空职业技术学院 航空材料工程学院,陕西 西安 710089）

地壳中含锆元素约0.026%，总含量为铜的2.5倍。锆的熔点较高、密度适中、强度优良、膨胀系数低、弹性模量小，并在较高温度下的多种介质中具有良好的耐蚀性；锆及其合金具有优异的压力加工和机械加工性能，可加工成现代工业所需的多种锻件与型材。

目前，Zr-Sn 系和Zr-Nb 系两类锆合金生产工艺相对比较成熟。Zr-Sn 系常见牌号有Zr-2、Zr-4，Zr-Nb 系的典型牌号代表是Zr-2.5Nb。在Zr-Sn 系合金中，合金元素锡、铁、铬、镍的加入可提高材料强度、耐腐蚀性和耐蚀膜的导热性，还能减弱材料表面的腐蚀敏感性。

1 锆合金材料加工技术

1.1 锆合金挤压成形

锆合金在核反应堆中主要用于结构材料的包壳件等，是反应堆所用材料中的的核心材料之一，这些包壳等组件大部分为锆合金管材和棒材，约占其使用总量的75%～80%[1]。这些管材和棒材都是通过经挤压成形加工得到的，大部分锆合金都具有较好的挤压成形性能。

核工业中常用的锆合金材料一般流动性较差，在挤压工艺中容易产生产品质量缺陷或挤压力过大，导致闷车。因此，锆合金的挤压工艺要求铸锭及模具在挤压前要采用充分的润滑措施。为此，中国重型机械研究院股份公司研究找出了一种锆合金挤压专用润滑剂：主要包含二硫化钼、玻璃粉、石墨、水、粘附剂。再利用合理的润滑工艺，可有效避免挤压过程中金属粘针、粘筒、粘模等现象的产生[2]。

1.2 锆合金锻造成形

锻造加工作为锆合金产品生产的重要一步，其主要作用是破碎铸态组织、提高金属的综合性能，即在获得合理坯料尺寸的同时，为后续淬火、挤压及轧制过程提供必要的组织基础[3]。实际生产中，为保证锻件产品质量，铸锭和变形坯料的加热应制定合适的加热规范，并控制好加热炉内气氛。当保持其他工艺参数不变时，不同的锻前加热制度对锆合金坯料的组织和性能有重要影响。

1.2.1 锻造工艺流程

海绵锆通过高温熔炼之后后得到的锆铸锭，因其内部存在夹杂、疏松等铸造缺陷，导致其组织性能较差，因此锆合金铸锭也要经过大的锻造变形和热处理工艺使其获得理想的内部组织状态，便于进一步的加工成形。由目前的研究生产结果可知，锆及锆合金的自由锻工艺性能较好，其锻造工艺流程如图1所示。

图1 锆合金锻造工艺流程

1.2.2 锻造工艺参数和设备

由于锆及锆合金在热态下的化学活性较大，考虑到锻前加热质量，因此在工业生产中广泛应用的锆及锆合金锻前加热一般采用中、高温的电阻炉，可以精确控制炉子温度及加热速度。锆合金铸锭一般采用两段式加热规范，当其表面温度达到预定加热温度后再进行一定时间的保温，保温时间不能太长，以免锆合金表面被过分氧化。表1 是锆合金在电阻炉中加热时的工艺参数。

表1 锆合金锻造加热工艺参数

由于体心立方的β-Zr 比密排六方的α-Zr 塑性高、变形抗力低，因此，锆合金的锻造加热和主要变形均是在β 相区进行，锻造温度一般控制在950～1100℃，首次终锻温度不能低于700℃，之后可以适当降低。

锆合金的高温变形性能相对较好，锻造加工采用的设备没有特殊要求，可选用黑色金属及有色合金常用锻压设备，比如锻锤、机械压力机和液压机等。

2 锆合金的应用情况

因锆合金具有很低的热中子吸收截面积和很好的抗腐蚀性能，所以它在核工业中应用比较多，核反应堆中锆合金零部件主要包括燃料包壳管、控制棒导向管、压力管、元件盒及其它结构材料等。除了传统的Zr-4 合金外，核工业用锆合金逐渐衍生出了新型的高性能锆合金，例如NZ2 和NZ8，研究发现用该材料加工得到的工件在高温水及高温蒸汽环境中的耐腐蚀性能更优[4-6]。

在深海和空间探测领域等特殊环境下长期服役的组件一般会面临疲劳损伤、氧原子侵蚀和磨损等问题[8]。原有技术使用的20Cr 等合金钢已经无法满足这些构件的寿命要求，而锆及其合金具有热膨胀系数小、抗辐照损伤等潜质，在空间探测等特殊领域的非常规环境下具有很大的使用潜力，尤其是新研发的高强韧锆合金（如Zr45Ti5Al3V），使用优势更加明显。

由于锆及其合金对各种酸质环境耐腐蚀性强，因此在化工领域的应用也非常多，例如阀门、耐酸泵、耐热泵、热交换管、搅拌器和喷嘴等。锆在醋酸工业中广泛应用于设备、管道、反应器、容器、搅拌器、换热器、泵和阀门等[9-10]。醋酸装置中用到的锆合金牌号主要为ZrR60702 和ZrR60705，一般多采用ZrR60702，在强度要求较高的场合一般采用ZrR60705[11-12]。

另外，锆在牙科领域也一直占有重要的应用地位。由于氧化锆具有一定的化学稳定性和生物相容性，氧化锆陶瓷已经成为非常畅销而受欢迎的牙科材料。

经研究发现α+β 双相和β 单相锆合金与我们人体的肌肉、骨骼和脑组织有很好的生物相容性。此外，β 单相合金与α 单相合金相比具有较好的耐蚀性及耐磨性，是一种非常有潜力的外科植入用合金，可以在生物医用材料和医疗器械中使用[2]。

3 锆合金塑性成形技术关键

锆合金塑性成形方法主要包括锻造、挤压和轧制。影响其塑性加工变形的因素较多，主要有应变速率、温度、相变状态及摩擦状况等。还有学者研究发现ZrTiAlV 合金在应变速率为10-2s-1、变形温度为1000℃时进行热压缩后的耐腐蚀性比其他温度条件下更高[13]。除此之外，变形程度，或是变形道次，也是一个重要影响因素。

锆及锆合金在高温下化学活性非常高，因此在热塑性变形时，要做好抗氧化保护，比如在材料表面涂覆玻璃润滑剂，不仅可防止氧化，还可起到润滑作用。对于锆合金结构锻件的成形，除了加热环节外，锻造工艺与锻模结构设计无疑也是影响锆合金锻件生产成本及材料利用率的关键因素。

4 结语

从现有研究情况可知，锆合金应用已经涉及到了国民经济以及国防建设的诸多领域，除了核工业以及化工产业的应用比较成熟外，在航空航天以及医学方面的应用也逐步深入，尤其是新型高强韧锆合金材料的研究发现，更是推进了锆合金的广泛应用。

促进锆合金应用的关键是锆合金制品的加工成形。锻造成形是锆合金塑性加工的重要环节，但对于锆合金的可锻性、应变速率和成形力的影响关系，以及锆合金工艺塑性和变形抗力的牵制影响规律等内容亟需进行详细研究，以提高锆合金锻件的成形质量，拓展锆合金在更多特殊环境领域的广泛应用。