锆合金的介绍

1. 锆合金的介绍

锆合金是以锆为基体加入其他元素而构成的有色合金。

2. 锆合金的简介

锆合金在300～400℃ 的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面（锆为0.18靶恩），对核燃料有良好的相容性，因此可用作水冷核反应堆的堆芯结构材料（燃料包壳、压力管、支架和孔道管），这是锆合金的主要用途。锆对多种酸（如盐酸、硝酸、硫酸和醋酸）、碱和盐有优良的抗蚀性，所以锆合金也用于制作耐蚀部件和制药器件。锆与氧、氮等气体有强烈的亲和力，所以锆和锆合金还在电真空和灯泡工业中被广泛用作非蒸散型消气剂（见消气材料）。锆具有优异的发光特性，所以成为闪光和焰火材料。

3. 锆石的类型

锆石晶体由于含有微量放射性元素，在漫长的地质历史时期中它们发生衰变而导致晶体构造严重破坏，在锆石内部分解为二氧化硅和锆的氧化物的混合物，这种混合物基本上为非晶质体，称为低型锆，没被分解的称为高型锆，稍微受到放射性破坏的称为中型锆，在高、低型之间存在着连续的过渡。
1.高型锆
结晶完整，硬度高，折射率为1.93～1.99，即高出了标准折射仪的测量范围，双折射率为0.059，在琢型的刻面型宝石中能见到刻面棱的双影线，呈一轴晶正光性，相对密度为4.68。
颜色有红色、褐色、黄色、绿色、紫色和无色，其中以无色、蓝色和红色为佳。锆石的光谱很典型，吸收谱线有2至40条，位于红光区653.5 nm和659 nm吸收线，为高型锆石的特征谱线（图9-10-2）。红色锆石无吸收线。
锆石发光性变化无常，有些锆石发荧光，有些则不发荧光。深黄色锆石在短波紫外光照射下能发出黄橙色的荧光。有些锆石在长波紫外光照射下发暗淡的黄色光，有些锆石还可发磷光。
2.中型锆
介于高型锆和低型锆之间，颜色为带褐的绿色、深红色，折射率1.83～1.97，双折射率0.008～0.043，相对密度4.08～4.60，它是高型锆与低型锆之间的过渡产物。
3.低型锆
主要指来自斯里兰卡和缅甸的滚圆卵石，其晶格已被破坏，无结晶外形，锆石成分由氧化锆和氧化硅的非晶质混合物组成，颜色为绿色、褐色和橙色，折射率1.78～1.815，单折射，光性特点几乎为均质体，双折射率0.000～0.008，相对密度3.9～4.1，硬度为6。
在低型锆中，有时有多边形环带及条纹，除了受氧化铁污染的张裂纹及后生裂纹外，偶尔还有一些丝绢包体，蜕晶质锆石中可以有明亮的裂缝，称为角形包体。

图9-10-2 锆石的吸收光谱

加热能促使蜕晶质锆石局部重结晶，并使其密度增高，同时吸收光谱也变清晰。斯里兰卡的绿色锆石加热后颜色变浅，红褐色锆石加热后变为无色锆石。
4.热处理型
颜色不好的宝石级锆石经过热处理可使颜色得到改善。如褐红色锆石在空气中加热到900℃时可转变成无色和金黄色，在真空中降温时可转变为蓝色和无色。通常无色，蓝色和金褐黄色的宝石都经过了热处理，除在653.5 nm处有一细吸收线外，还可有一条659nm吸收线。

4. 锆石的类型

在贸易中完全用锆石结构类型划分品种并不利于顾客选购，而且进入市场的基本上是高型锆石，尤其是处理石，无需强调其类型，因而，如今商业上，品种仍是以颜色划分的。(1)无色锆石:应和钻石一样无色透明，不带任何灰或褐色调。(2)蓝色锆石:最受欢迎的品种，包括天然石和热处理优化石。优化石因在优化过程中未添加任何其他物质，故在珠宝鉴定上，仍然认定其为天然宝石，宝石色度有深有浅。不带任何褐色色调的蓝锆石有强二色性;带褐色调的在极端高温高压作用下有可能转变为金黄色（非常罕见，基本不会发生）。蓝锆石常带很淡的绿色调。(3)蓝绿色或带黄、带褐色的蓝色锆石。(4)绿色和微绿黄色锆石。(5)橙色、褐色和黄色锆石。(6)红色锆石:包括红色到橙红色者。有人还将罕见的锆石猫眼单列为一个品种。

5. 锆合金的加工

锆和锆合金塑性好，可制成管材、板材、棒材和丝材，其中管材为主要产品。锆和锆合金的加工工艺取决于锆的基本性质和核反应堆对锆构件的特殊要求。锆的基本性质是：易被氧、氮、氢等污染，易粘模具，有同质异晶转变。核反应堆对锆构件的要求是尺寸精度高，显微组织要求严格，性能稳定。使用最广的无缝锆管加工的主要工序为：配制自耗电极、熔铸、锻造、热挤（管坯）、冷加工、精整。真空自耗电弧熔炼法是锆和锆合金工业生产的最普遍的方法。采用正确的加入合金元素的方法，合适的新旧料搭配比例和合理的熔铸制度，才能得到高质量的铸锭。铸锭开坯一般在β相区进行,这既有利于变形,又减少了合金元素的偏聚。二次锻造温度比开坯温度低，纯锆和Zr-2合金在α 相区的高温区进行锻造，Zr-2.5Nb在(α+β)相区进行锻造。终锻温度不得低于700℃。热轧温度和二次锻造温度相近，挤压温度更低一些。为防止氧化和粘模,坯料在挤压前要包铜,或加玻璃涂层。纯锆在液氮温度下仍有良好塑性。室温轧板时两次退火间的冷加工量可达40%或更高。成品前的冷加工制度，对锆锡合金管材的质量和性能有重要影响。为获得综合性能好的管材，成品前冷轧的总压缩率应达50%以上。常温下呈密排六方结构的α-Zr在冷变形加工中易形成织构。锆管的织构对其强度、蠕变性能、氢化物取向、辐照生长等有重要影响。反应堆中使用的Zr-4合金包壳管,通常要求近径向基极织构（即六方点阵的C轴基本上平行于管子的直径）。一般最终冷加工工序的壁厚减薄率与直径收缩率之比大于 1时易得到这种织构取向。而在Zr-2.5Nb压力管的生产中是通过控制挤压工艺参数和挤压坯组织以控制织构的。Zr-2.5Nb合金中片状氢化物呈随意取向,控制压力管加工艺,则可使片状氢化物呈切向分布，获得所需的织构。冷加工材经再结晶退火（约650℃）后织构发生变化，氢化物取向也变得混乱(见择优取向)。 　冷加工材的退火必须在真空炉中进行，真空度应高于10-4托。中间退火温度约700℃。成品退火根据性能要求确定。对燃料包壳管的表面要求很严格，一般需酸洗。酸洗液是氢氟酸和硝酸的水溶液。酸洗后一定要彻底除去制件表面的氟离子，否则会降低材料的耐蚀性能。成品管必须矫直。如果矫直工艺不合适，将会造成力学性能不均匀、爆破延性低和氢化物取向不利。

6. 锆合金的研制

纯锆就其强度和抗蚀性能来说，都不能满足核燃料包壳和压力管的要求。20世纪40年代末，美国为了探索锆在水冷反应堆中的应用，着手研究锆基合金。到50年代中期，研制成具有优良综合性能的Zr-2合金 (Zirca-loy-2)，并用作世界第一艘核潜艇“舡鱼”号的核燃料包壳材料，后来又制成Zr-4（Zircaloy-4），Zr-1Nb和Zr-2.5Nb合金。二十多年来，各国也研究了许多其他锆合金，但因综合性能不如上述合金，因而应用不多。目前，从海绵锆到锆合金，已实现工业化生产的国家有美国、俄罗斯、法国、德国、加拿大和中国等。

7. 锆合金的加工

亲！其中，锻造开还工序是在900°C -1150°C的环境中，对经过三次或三次以上的真空电弧熔炼而得到的铸态的锆合金进行锻造开坯处理；β相淬火工序是将上述工序后得到的产品在1030°C的环境中进行10min-50min保温，然后进行水淬得到固态水淬产品；α相热轧工序指先将上述固态水淬产品进行保温，之后进行热轧以得到热轧板坯；中间退火和冷加工工序指的是对上述热轧板坯进行多次中间退火并在每次中间退火后进行冷加工，以最终得到冷轧板坯；成品板材最终再结晶退火工序是指将上述冷轧板坯加工为成品板材后进行再结晶退火，最终得到锆合金产品。【摘要】
锆合金的加工【提问】
亲！请稍等一会儿，小柠檬为您查询哦！【回答】
亲！锆合金的加工工艺依次包括锻造开坯工序，β相淬火工序，α相热轧工序，中间退火和冷加工工序，以及成品板材最终再结晶退火工序；【回答】
亲！其中，锻造开还工序是在900°C -1150°C的环境中，对经过三次或三次以上的真空电弧熔炼而得到的铸态的锆合金进行锻造开坯处理；β相淬火工序是将上述工序后得到的产品在1030°C的环境中进行10min-50min保温，然后进行水淬得到固态水淬产品；α相热轧工序指先将上述固态水淬产品进行保温，之后进行热轧以得到热轧板坯；中间退火和冷加工工序指的是对上述热轧板坯进行多次中间退火并在每次中间退火后进行冷加工，以最终得到冷轧板坯；成品板材最终再结晶退火工序是指将上述冷轧板坯加工为成品板材后进行再结晶退火，最终得到锆合金产品。【回答】

8. 金属锆的用途以及特性

金属锆又称海绵锆，为银灰色金属，外观似钢，有光泽；
锆对氧的亲和力很强，1000度下氧气溶于锆中能使其体积显著增加。锆在空气中比较稳定，粉末状的锆容易燃烧，细的锆丝可用火柴点燃。高温时能与溶入的氧、氮、氢直接化合；
锆比较软，主要用于制造防弹合金钢，还可做反应堆中铀燃料的包覆合金；
锆在高温时易发射电子，锆还少量用于外科刀具及其它工业用途；
锆有比不锈钢、镍基合金及钛更优异的耐腐蚀性能，力学性能和工艺性能，很适宜制造容器和换热器等化工设备。
锆的元素符号Zr，它的原子序数是40，是一种银白色的过渡金属。
锆的表面易形成一层氧化膜，具有光泽，故外观与钢相似。
有耐腐蚀性。
高温时，可与非金属元素和许多金属元素反应，生成固体溶液化合物。
锆的可塑性好，易于加工成板、丝等。
锆在加热时能大量吸收氧、氢、氮等气体，可用作贮氢材料。
锆的性能比钛好，接近铌、钽。  锆主要以矿物形成存在于大自然，锆在地壳中的含量居第20位，比常见的金属铜、铅、镍、锌多，却被称为“稀有金属”，是因为制取工艺较复杂，不易被经济地提取。
　　锆的应用领域非常广泛，主要以氧化锆的形式应用于陶瓷、耐火材料等领域，这部分的应用占锆消费的90%以上。
另外，锆及其合金的一个重要用途就是作为核动力反应堆的燃料包覆材料和其他结构材料。
如果我的回答帮到了你，请点“采纳”。