鋯棒鋯管等鋯及鋯合金的應用領域

一、背景

鋯（Zr）的命名源于鋯石，鋯石則來源于波斯語“金色(zargun)”，早在幾個世紀前，鋯石已經被人類用作珠寶。鋯石在圣經中也有被提及，稱其是以色列大祭司佩戴的12種寶石之一。而后，在化學家馬丁提純鋯的氧化物時，鋯元素被正式命名。

隨著現代科學技術的迅猛發展，傳統材料已經很難滿足當下日益嚴苛的工業服役條件，新型高性能材料的研發勢在必行。由此，鋯及鋯合金在近年來備受關注。

鑒于鋯及鋯合金具有密度低，比強高，耐腐蝕，耐輻照，優良的耐磨性，加工性能優異，無毒，無磁，熱中子吸收截面小等一系列特點，鋯合金優先在核工業中得到了不可替代的應用，因此世界各國都十分重視鋯合金的研究開發工作。如今，隨著對鋯合金的研究趨于成熟，鋯棒、鋯管、鋯板等鋯合金在航空航天、海洋工程、化工行業、醫用行業及一些特殊領域中也得到廣泛應用。作為重要的戰略性材料，鋯被譽為“原子時代第一金屬”、世界第三代的優良特種耐蝕材料。

由于其冶煉提純的工藝復雜苛刻、科技含量高，鋯被視作稀有金屬，是這也是其貴重的主要原因。與同族元素鈦相比，鋯更加具備驚人的抗腐蝕性能、極高的熔點、超高的硬度和強度等特性。雖然諸多鈦合金產品已被大家熟知，但鈦產品的抗腐蝕性能遠不如鋯合金產品。所以，鋯是名至實歸的核能金屬、太空金屬、不朽金屬、人體親和金屬。

新型高強韌鋯合金

高強韌輕質鋯合金可分為晶態鋯合金與非晶態鋯合金。

晶態鋯合金按其相組成通常可分為α型鋯合金、α+β型鋯合金和β型鋯合金。從力學性能的角度出發，α型鋯合金具有較高的強度（抗拉強度可達1600MPa以上）與硬度，其耐摩擦磨損性能優于鈦合金，經表面處理后其耐磨性提升明顯；α+β型鋯合金同時存在兩種不同晶體結構的相，具有優異的綜合力學性能；β型鋯合金滑移系較多，具有較高的塑性（斷后延伸率可達30%）。

非晶態鋯合金其固態物質原子的排列所具有的近程有序、長程無序的狀態，是一種典型的亞穩態，故此非晶材料也被稱為金屬玻璃或液態金屬。鋯基非晶合金的硬度在60HRC以上（比不銹鋼高20%以上），具備超高的強度、耐磨性，遠超合金鋼（例如：比強度是20CrMnTi合金鋼的2.4倍），且密度比合金鋼降低30%以上，無需進行表面處理即擁有光潔的表面，但有臨界尺寸的限制。

無論是晶態鋯合金還是非晶態鋯合金除了具備鋯合金的所有優點與特性外還各持所長，鋯合金分類，為鋯合金的應用與產品的材料選擇提供了簡單明了的指導。

二、應用

1、原子能核能領域

鋯合金主要應用于核工業領域中的包殼材料、壓力管及元件盒等，其熱中子吸收截面積小（僅為0.18×10-28m2），用鋯合金代替不銹鋼作為核反應堆的結構材料，可以節省近一半的鈾燃料，鋯合金在300~400℃高溫高壓水蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，在反應堆內有相當好的抗中子輻照性能，也使得反應堆提高了數十年的使用壽命，鋯合金還有適中的力學性能、良好的加工性能以及和鈾燃料良好的相容性。鋯在核電工業，核潛艇制造及核廢料處理工業均是不可替代的結構材料。

2、航空航天及軍工領域

鋯合金作為空間材料，可應用于空間機構關鍵活動件。其具備較低的密度，可為衛星等航天器的減重作出巨大貢獻，更擁有較低的熱膨脹系數，耐太空低溫、適應交變溫度場、耐原子氧侵蝕、抗太空輻照等優點，具有良好的空間環境適應性，這使得鋯合金在服役過程中更加可靠穩定。太空中存在空間環境效應，經帶電粒子（120keV、最高注入量5×25400px-2的質子、氮離子及氬離子）輻照后仍可靠服役；經原子氧暴露后，提高了鋯合金表面的抗劃擦和抗腐蝕能力；在零下100℃極端低溫條件下，其強度得到大幅提升。“神六”上使用的抗腐蝕性、耐高的鈦產品，其抗腐蝕性能遠不如鋯，其熔點1600度左右，而鋯的熔點則在1800度以上，二氧化鋯的熔點更是高達2700度以上，所以鋯作為航空航天材料，其各方面的性能大大優越于鈦。在軍工領域，含鋯的裝甲材料、大炮鍛件、耐熱部件等是制造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等武器的重要材料，與此同時可減輕武器、裝備重量，極大提高作戰能力。

3、海洋及化工領域

與傳統的不銹鋼、銅、鎳、鈦等金屬合金相比，鋯及鋯合金具有優異的耐腐蝕性能，能夠抵抗大多數有機酸、無機酸、強堿和一些熔融鹽的腐蝕侵害。在廢水處理、食品加工、強酸生產工業中，主要應用于耐腐蝕性能要求高的設備及構件，如反應釜、耐酸泵、耐熱泵、熱交換管、浸液器、耐酸葉輪、閥門、攪拌器、噴嘴和容器襯里等。美國化工企業使用的鋯設備、裝置已超過25年，仍未受到明顯的腐蝕侵害影響，轉化率高達 85%~90%，大大提高了企業的生產效率。在深海探測過程中，鋯合金不僅可以經受海水與海洋中砂石的沖蝕、海水腐蝕及流體摩擦磨損，還可以適應-200~200℃的交變溫度環境，這是由于鋯的熱膨脹系數低可穩定持續服役。

4、醫學領域

鋯具有無毒，無磁，人體親和、低彈性模量和性能穩定等特點。傳統不銹鋼（含鎳鉻等有毒元素），鎳合金（20%以上的人會產生由鎳引起的過敏反應）或鈦合金彈性模量較大，植入人體后會引發“應力屏蔽”效應，造成人體肌肉萎縮等癥狀，而鋯合金不僅具有生物相容性，且彈性模量較低，作為口腔修復材料，骨骼植入材料，骨科修復材料及手術器械材料等已被廣泛應用。核工業中使用的Zr-Nb合金已被作為替代骨骼植入人體，不存在碎屑剝落的現象，且骨溶解性低（與同為骨骼植入材料的CoCr合金相比，CoCr合金有較高的骨溶解風險），服役壽命是傳統植入材料的數倍。在口腔醫療方面的應用更加廣泛，正畸修復時所使用的的矯治器，口腔種植體均大量使用鋯合金。并且在神經外科這個極其敏感的醫學領域中都能使用鋯絲作腦外科手術的縫合材料。

5、極端特殊領域

鋯具有良好的吸氣性，鋯粉在電子管中廣泛用作除氣劑，在黑色冶金工業中，金屬鋯常用做煉鋼脫氣劑、添加劑，用以改善和提高產品的性能。鋯粉在空氣中易燃并伴隨釋放高熱量，因而可作為引爆雷管、照相閃光的引火物及無煙火藥。貯氫合金作為鋯的新用途可用作鎳氫電池的電極材料。鋯還是熱激活電池加熱片組份之一，加熱片由鋯粉、BaCrO4和無機纖維按Zr:BaCrO4:無機纖維(wt.%)=21:74:5比例混合制成，發熱量為1882.8J·g-1。鋯基非晶材料擁有超高的強度、耐摩擦磨損性能與高彈性，大幅超越不銹鋼、軸承鋼等傳統耐磨材料，已被用于制造極端環境服役設備的零部件和機構件，如航空飛行器軸承、齒輪和卡環等。

除以上領域外，鋯及鋯合金還作為結構材料、功能材料被應用于許多特殊、極端領域中，處于產業鏈的頂端。