锆棒锆管等锆及锆合金的应用领域

一、背景

锆（Zr）的命名源于锆石，锆石则来源于波斯语“金色(zargun)”，早在几个世纪前，锆石已经被人类用作珠宝。锆石在圣经中也有被提及，称其是以色列大祭司佩戴的12种宝石之一。而后，在化学家马丁提纯锆的氧化物时，锆元素被正式命名。

随着现代科学技术的迅猛发展，传统材料已经很难满足当下日益严苛的工业服役条件，新型高性能材料的研发势在必行。由此，锆及锆合金在近年来备受关注。

鉴于锆及锆合金具有密度低，比强高，耐腐蚀，耐辐照，优良的耐磨性，加工性能优异，无毒，无磁，热中子吸收截面小等一系列特点，锆合金优先在核工业中得到了不可替代的应用，因此世界各国都十分重视锆合金的研究开发工作。如今，随着对锆合金的研究趋于成熟，锆棒、锆管、锆板等锆合金在航空航天、海洋工程、化工行业、医用行业及一些特殊领域中也得到广泛应用。作为重要的战略性材料，锆被誉为“原子时代第一金属”、世界第三代的优良特种耐蚀材料。

由于其冶炼提纯的工艺复杂苛刻、科技含量高，锆被视作稀有金属，是这也是其贵重的主要原因。与同族元素钛相比，锆更加具备惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性。虽然诸多钛合金产品已被大家熟知，但钛产品的抗腐蚀性能远不如锆合金产品。所以，锆是名至实归的核能金属、太空金属、不朽金属、人体亲和金属。

新型高强韧锆合金

高强韧轻质锆合金可分为晶态锆合金与非晶态锆合金。

晶态锆合金按其相组成通常可分为α型锆合金、α+β型锆合金和β型锆合金。从力学性能的角度出发，α型锆合金具有较高的强度（抗拉强度可达1600MPa以上）与硬度，其耐摩擦磨损性能优于钛合金，经表面处理后其耐磨性提升明显；α+β型锆合金同时存在两种不同晶体结构的相，具有优异的综合力学性能；β型锆合金滑移系较多，具有较高的塑性（断后延伸率可达30%）。

非晶态锆合金其固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态，是一种典型的亚稳态，故此非晶材料也被称为金属玻璃或液态金属。锆基非晶合金的硬度在60HRC以上（比不锈钢高20%以上），具备超高的强度、耐磨性，远超合金钢（例如：比强度是20CrMnTi合金钢的2.4倍），且密度比合金钢降低30%以上，无需进行表面处理即拥有光洁的表面，但有临界尺寸的限制。

无论是晶态锆合金还是非晶态锆合金除了具备锆合金的所有优点与特性外还各持所长，锆合金分类，为锆合金的应用与产品的材料选择提供了简单明了的指导。

二、应用

1、原子能核能领域

锆合金主要应用于核工业领域中的包壳材料、压力管及元件盒等，其热中子吸收截面积小（仅为0.18×10-28m2），用锆合金代替不锈钢作为核反应堆的结构材料，可以节省近一半的铀燃料，锆合金在300~400℃高温高压水蒸汽中有很好的抗腐蚀性能，在反应堆内有相当好的抗中子辐照性能，也使得反应堆提高了数十年的使用寿命，锆合金还有适中的力学性能、良好的加工性能以及和铀燃料良好的相容性。锆在核电工业，核潜艇制造及核废料处理工业均是不可替代的结构材料。

2、航空航天及军工领域

锆合金作为空间材料，可应用于空间机构关键活动件。其具备较低的密度，可为卫星等航天器的减重作出巨大贡献，更拥有较低的热膨胀系数，耐太空低温、适应交变温度场、耐原子氧侵蚀、抗太空辐照等优点，具有良好的空间环境适应性，这使得锆合金在服役过程中更加可靠稳定。太空中存在空间环境效应，经带电粒子（120keV、最高注入量5×25400px-2的质子、氮离子及氩离子）辐照后仍可靠服役；经原子氧暴露后，提高了锆合金表面的抗划擦和抗腐蚀能力；在零下100℃极端低温条件下，其强度得到大幅提升。“神六”上使用的抗腐蚀性、耐高的钛产品，其抗腐蚀性能远不如锆，其熔点1600度左右，而锆的熔点则在1800度以上，二氧化锆的熔点更是高达2700度以上，所以锆作为航空航天材料，其各方面的性能大大优越于钛。在军工领域，含锆的装甲材料、大炮锻件、耐热部件等是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料，与此同时可减轻武器、装备重量，极大提高作战能力。

3、海洋及化工领域

与传统的不锈钢、铜、镍、钛等金属合金相比，锆及锆合金具有优异的耐腐蚀性能，能够抵抗大多数有机酸、无机酸、强碱和一些熔融盐的腐蚀侵害。在废水处理、食品加工、强酸生产工业中，主要应用于耐腐蚀性能要求高的设备及构件，如反应釜、耐酸泵、耐热泵、热交换管、浸液器、耐酸叶轮、阀门、搅拌器、喷嘴和容器衬里等。美国化工企业使用的锆设备、装置已超过25年，仍未受到明显的腐蚀侵害影响，转化率高达 85%~90%，大大提高了企业的生产效率。在深海探测过程中，锆合金不仅可以经受海水与海洋中砂石的冲蚀、海水腐蚀及流体摩擦磨损，还可以适应-200~200℃的交变温度环境，这是由于锆的热膨胀系数低可稳定持续服役。

4、医学领域

锆具有无毒，无磁，人体亲和、低弹性模量和性能稳定等特点。传统不锈钢（含镍铬等有毒元素），镍合金（20%以上的人会产生由镍引起的过敏反应）或钛合金弹性模量较大，植入人体后会引发“应力屏蔽”效应，造成人体肌肉萎缩等症状，而锆合金不仅具有生物相容性，且弹性模量较低，作为口腔修复材料，骨骼植入材料，骨科修复材料及手术器械材料等已被广泛应用。核工业中使用的Zr-Nb合金已被作为替代骨骼植入人体，不存在碎屑剥落的现象，且骨溶解性低（与同为骨骼植入材料的CoCr合金相比，CoCr合金有较高的骨溶解风险），服役寿命是传统植入材料的数倍。在口腔医疗方面的应用更加广泛，正畸修复时所使用的的矫治器，口腔种植体均大量使用锆合金。并且在神经外科这个极其敏感的医学领域中都能使用锆丝作脑外科手术的缝合材料。

5、极端特殊领域

锆具有良好的吸气性，锆粉在电子管中广泛用作除气剂，在黑色冶金工业中，金属锆常用做炼钢脱气剂、添加剂，用以改善和提高产品的性能。锆粉在空气中易燃并伴随释放高热量，因而可作为引爆雷管、照相闪光的引火物及无烟火药。贮氢合金作为锆的新用途可用作镍氢电池的电极材料。锆还是热激活电池加热片组份之一，加热片由锆粉、BaCrO4和无机纤维按Zr:BaCrO4:无机纤维(wt.%)=21:74:5比例混合制成，发热量为1882.8J·g-1。锆基非晶材料拥有超高的强度、耐摩擦磨损性能与高弹性，大幅超越不锈钢、轴承钢等传统耐磨材料，已被用于制造极端环境服役设备的零部件和机构件，如航空飞行器轴承、齿轮和卡环等。

除以上领域外，锆及锆合金还作为结构材料、功能材料被应用于许多特殊、极端领域中，处于产业链的顶端。