工業(yè)級(jí)鋯及鋯合金因在高溫高壓的環(huán)境中具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，在化工、石油、航空領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文闡述了工業(yè)級(jí)鋯及鋯合金的合金化原理，分析了R60702和R60705在不同溫度下的力學(xué)性能，指出傳統(tǒng)石油、化工及醫(yī)療行業(yè)中使用的不銹鋼和鎳基合金結(jié)構(gòu)件或零部件已不能完全滿足苛刻條件下的工況需求，概述了工業(yè)級(jí)鋯及鋯合金在硫酸、醋酸、鹽酸等惡劣腐蝕環(huán)境及空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀。新型工業(yè)鋯已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和巨大的應(yīng)用潛力，因而核結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)加工研究者應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)新型工業(yè)鋯的技術(shù)研究并強(qiáng)化其應(yīng)用，這對(duì)加快我國(guó)工業(yè)化和空間領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
1、工業(yè)鋯力學(xué)性能
傳統(tǒng)的工業(yè)鋯及鋯合金主要是R60702和R60705。在不同溫度下的力學(xué)性能分別如圖1和圖2所示。從圖1可見(jiàn)，在室溫至350 ℃的區(qū)間下，R60702鋯合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而延伸率則先升高后降低隨后又呈升高的趨勢(shì)，因而200 ℃是R60702力學(xué)性能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖2可知，在室溫至500 ℃的區(qū)間下，R60705鋯合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而延伸率則呈先升高后降低趨勢(shì)；同時(shí)200 ℃為R60705力學(xué)性能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。但是在低于200 ℃時(shí)，R60705鋯合金的強(qiáng)度明顯優(yōu)于R60702的強(qiáng)度，而延伸率則相反，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)按需選擇、區(qū)別對(duì)待。
2、工業(yè)鋯的應(yīng)用
傳統(tǒng)石油、化工及醫(yī)療行業(yè)中使用的不銹鋼和鎳基合金結(jié)構(gòu)件或零部件已不能完全滿足苛刻條件下的工況需求，基于鋯良好抗腐蝕性及力學(xué)性能特點(diǎn)，鋯及鋯合金在化工、醫(yī)藥及其他領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
傳統(tǒng)大型儲(chǔ)硫酸容器是指容量在100 m3以上，由罐壁、罐頂、罐底及附件組成的大型容器，介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的稀硫酸，工作溫度為120~140 ℃，設(shè)計(jì)溫度180 ℃。由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的稀硫酸具有很強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)大型儲(chǔ)酸罐的設(shè)計(jì)和材料選擇提出了更高的要求。雖然金屬鉭、鉭鈮具有良好的抗腐蝕性，但是價(jià)格高昂(一臺(tái)鉭材或者鉭鈮材料的儲(chǔ)
存罐是一臺(tái)鋯材儲(chǔ)存罐的3~4倍)且設(shè)備制造工藝不成熟，所以工業(yè)鋯及鋯合金常作為大型儲(chǔ)硫酸容器的首選材料。
醋酸生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)器是其核心設(shè)備，工作溫度為185 ℃，壓力為28 MPa，腐蝕介質(zhì)包括醋酸、碘甲烷、CO等，工作環(huán)境十分惡劣。采用工業(yè)級(jí)鋯材的設(shè)備包括鋯反應(yīng)器、換熱器、管道、冷凝器、換熱器、泵、閥、攪拌器、塔盤(pán)等；鋯材產(chǎn)品主要包括鋯管、寬厚板、鋯棒、大口徑管道、管件、鍛件等材料完全滿足醋酸化工過(guò)程的需求。
目前應(yīng)用于鹽酸相關(guān)流程的鋯材設(shè)備包括泵、閥、管道、冷凝器及蒸發(fā)器等。鋯在鹽酸環(huán)境中具有較寬的耐腐蝕溫度范圍，如在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸中使用的最高溫度可達(dá)250 ℃，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的鹽酸環(huán)境中使用的最高溫度可達(dá)130 ℃。鋯在鹽酸中具有較長(zhǎng)使用壽命，實(shí)踐表明鋯材換熱器和泵的使用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)20年，并且鋯在鹽酸的環(huán)境下不會(huì)改變?nèi)剂项伾?/p>
鋯制反應(yīng)器和熱交換器在尿素合成工業(yè)中的應(yīng)用已有 30 多年的歷史。使用工業(yè)級(jí)鋯材設(shè)備可以使反應(yīng)在較高的溫度和壓力下進(jìn)行，從而使反應(yīng)進(jìn)行得更快。目前，在雙氧水生產(chǎn)中基本采用鋯材作為設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料。用工業(yè)級(jí)鋯材制造水解管和濃縮管后，減少了循環(huán)介質(zhì)中鉛的污染。
空間技術(shù)是當(dāng)今世界高新技術(shù)水平的集中體現(xiàn)，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。隨著我國(guó)月球探測(cè)、深空探測(cè)、空間暴露、空間應(yīng)用等方面的任務(wù)越來(lái)越頻繁，高可靠性、長(zhǎng)壽命、輕量化的航天器設(shè)計(jì)與制造是未來(lái)空間技術(shù)研究者重點(diǎn)關(guān)注的課題和方向。傳統(tǒng)的合金鋼和鈦合金已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足空間活動(dòng)構(gòu)件在空間低溫、交變溫度、輻照、嚴(yán)重摩擦磨損和冷焊等苛刻環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)采用優(yōu)化成分的手段，提出了可作為空間活動(dòng)構(gòu)件使用的鋯系合金材料的最佳體系與組成。
鋯合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、核工業(yè)等眾多領(lǐng)域，特別是在化工生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。伴隨著我國(guó)化工和空間領(lǐng)域的發(fā)展，迫切需要研制出高性能的新型工業(yè)鋯產(chǎn)品。雖然我國(guó)新型工業(yè)鋯產(chǎn)品還處于研制的初級(jí)階段，但是新型工業(yè)鋯已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和巨大的應(yīng)用潛力。因此，核結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)加工研究者應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)新型工業(yè)鋯的技術(shù)研究并強(qiáng)化其應(yīng)用，這對(duì)加快我國(guó)工業(yè)化和空間領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
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