與傳統的鐵、銅、鎳等金屬元素相比，鋯具有較低的密度和較小的熱膨脹系數。此外，鋯還具有較低的熱中子吸收截面積（僅為0。18×10^-28m²）和良好(hao)的(de)(de)耐腐蝕性(xing)能，這使(shi)(shi)得(de)鋯(gao)及其(qi)合(he)金(jin)(jin)在核工業(ye)以及航空(kong)航天等(deng)(deng)特殊領(ling)域具有極廣泛的(de)(de)應(ying)用前景［1－3］。目前，鋯(gao)及其(qi)合(he)金(jin)(jin)已(yi)(yi)經較(jiao)成熟(shu)地應(ying)用于核反(fan)應(ying)堆中的(de)(de)包殼材料。與不銹鋼相比，鋯(gao)及其(qi)合(he)金(jin)(jin)能夠有效地將(jiang)中子(zi)反(fan)射回反(fan)應(ying)堆內部(bu)，極大地節省(sheng)了(le)鈾燃料；而鋯(gao)合(he)金(jin)(jin)在300~400℃的(de)(de)高溫高壓水蒸汽中具有的(de)(de)良好(hao)耐腐蝕性(xing)能，也使(shi)(shi)得(de)反(fan)應(ying)堆具有了(le)較(jiao)長的(de)(de)使(shi)(shi)用壽命。因此(ci)，金(jin)(jin)屬元素鋯(gao)被譽為原子(zi)時代(dai)的(de)(de)第一金(jin)(jin)屬。隨(sui)著我(wo)國航空(kong)航天、航海及化工事業(ye)的(de)(de)不斷發展，合(he)金(jin)(jin)鋼等(deng)(deng)傳統材料已(yi)(yi)經越來越不能適應(ying)空(kong)間、海洋等(deng)(deng)特殊環(huan)境。近年來，國內外許多(duo)科學(xue)家已(yi)(yi)經將(jiang)目標轉向了(le)鋁基復合(he)材料及鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)、鋯(gao)合(he)金(jin)(jin)等(deng)(deng)輕金(jin)(jin)屬材料［4－6］。

本文簡要概述了當今鋯合金的發展(zhan)現狀，并對新型高強韌性鋯合金的成分設計(ji)、強化機(ji)理及應用進行(xing)著重分析。

1、鋯及其合金的發展現狀

鋯(gao)(gao)在地(di)殼中(zhong)的(de)(de)含(han)量約為220g/t，儲(chu)量超過了銅、鎳、鉛和鈷(gu)等常用金(jin)屬而居于第20位。我(wo)國(guo)的(de)(de)鋯(gao)(gao)礦儲(chu)量在世界(jie)上排名第9位，是(shi)鋯(gao)(gao)含(han)量分布較(jiao)為廣(guang)泛(fan)的(de)(de)國(guo)家(jia)。早(zao)期(qi)鋯(gao)(gao)的(de)(de)提煉技術不成熟，極大地(di)限制了鋯(gao)(gao)材(cai)料(liao)的(de)(de)應用。Kroll于1944年(nian)成功(gong)研究了規模較(jiao)大的(de)(de)延性鋯(gao)(gao)的(de)(de)生產方法，使得(de)鋯(gao)(gao)及其合金(jin)得(de)到了迅(xun)猛的(de)(de)發展(zhan)［7］。初期(qi)，鋯(gao)(gao)合金(jin)主要(yao)應用于核(he)工業(ye)領域中(zhong)的(de)(de)包殼材(cai)料(liao)［8］。近幾十年(nian)來，隨(sui)著對鋯(gao)(gao)合金(jin)的(de)(de)研究趨于成熟，鋯(gao)(gao)及其合金(jin)在化(hua)工行業(ye)、醫用行業(ye)及一些特殊領域中(zhong)也得(de)到廣(guang)泛(fan)應用。

１.１核用鋯合金

鋯(gao)(gao)合(he)金(jin)以(yi)其極低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱中(zhong)子吸收截面積和(he)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)高(gao)溫高(gao)壓腐(fu)蝕性(xing)(xing)能(neng)(neng)而在(zai)核(he)工(gong)業(ye)中(zhong)獲得了廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用，以(yi)其為材(cai)料生產的(de)(de)(de)(de)(de)(de)零(ling)部件(jian)(jian)包(bao)括燃(ran)(ran)料包(bao)殼管、控制棒(bang)導(dao)向管、壓力(li)管、元(yuan)件(jian)(jian)盒以(yi)及一(yi)些(xie)結構材(cai)料等。法國(guo)、美國(guo)、德國(guo)及俄(e)羅斯(si)等國(guo)家(jia)先后研究出了一(yi)系列的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核(he)用鋯(gao)(gao)合(he)金(jin)。目(mu)前，已經成功應用在(zai)核(he)工(gong)業(ye)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有Zr－2、Zr－4、Zr2。5Nb以(yi)及近(jin)年來新(xin)開發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)ZIRLO、E635、M5及NDA等鋯(gao)(gao)合(he)金(jin)［7］。這些(xie)新(xin)開發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋯(gao)(gao)合(he)金(jin)具有更低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輻照蠕(ru)變性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)碘應力(li)腐(fu)蝕能(neng)(neng)力(li)，此外，還能(neng)(neng)夠滿足燃(ran)(ran)料組件(jian)(jian)較(jiao)高(gao)燃(ran)(ran)耗的(de)(de)(de)(de)(de)(de)要求，使組件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用壽命提升(sheng)至(zhi)30年。近(jin)30年來，我國(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)科研工(gong)作者(zhe)在(zai)綜合(he)了ZrSn和(he)ZrNb系合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優點后，開發(fa)出了新(xin)型高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)NZ2和(he)NZ8鋯(gao)(gao)合(he)金(jin)［9－10］。合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)(neng)優于Zr－4合(he)金(jin)，用其制備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組件(jian)(jian)在(zai)高(gao)溫水(shui)和(he)蒸汽中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)能(neng)(neng)得到明顯改善(shan)，在(zai)550℃過熱蒸汽中(zhong)進行長(chang)期腐(fu)蝕后并沒有出現(xian)癤狀(zhuang)腐(fu)蝕現(xian)象［11］。

１.２耐腐蝕鋯合金

鋯(gao)(gao)具有優(you)異(yi)的耐(nai)腐(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)，能(neng)夠抵抗大多數有機酸、無(wu)機酸、強堿和一些(xie)熔融(rong)鹽的腐(fu)蝕(shi)(shi)侵害，因此，腐(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)境中的一些(xie)關鍵部件(jian)可使(shi)用(yong)鋯(gao)(gao)材來提升使(shi)用(yong)壽命(ming)［12－13］。提升合(he)金件(jian)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)的另一種方法為(wei)表面(mian)(mian)預(yu)處(chu)理(li)［14］。工業中利(li)用(yong)鋯(gao)(gao)本身具有的高(gao)吸氧這一特性(xing)，將鋯(gao)(gao)置于高(gao)溫空氣中，使(shi)得鋯(gao)(gao)表面(mian)(mian)獲取一層致密的氧化(hua)膜，從而提升鋯(gao)(gao)及(ji)其合(he)金的耐(nai)腐(fu)蝕(shi)(shi)和耐(nai)沖刷性(xing)能(neng)。實驗證明，經過(guo)表面(mian)(mian)氧化(hua)處(chu)理(li)之后的鋯(gao)(gao)在硫(liu)酸介質中的年腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率僅為(wei)純鋯(gao)(gao)的5%，而耐(nai)沖刷性(xing)能(neng)卻提高(gao)了2倍。

目前，化(hua)工行業中(zhong)已(yi)(yi)較(jiao)多的(de)(de)(de)使用鋯(gao)作為(wei)耐腐蝕材(cai)(cai)料，并且已(yi)(yi)成(cheng)熟(shu)應(ying)用于(yu)熱(re)(re)交換機(ji)、洗堤塔、反(fan)應(ying)器、泵、閥(fa)門(men)和(he)(he)(he)腐蝕介質管道(dao)(dao)等領域［15］。例(li)如(ru)，用鋯(gao)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)制備(bei)出的(de)(de)(de)濃(nong)縮(suo)管和(he)(he)(he)水(shui)解管已(yi)(yi)成(cheng)功應(ying)用在過氧化(hua)氫的(de)(de)(de)生產線(xian)中(zhong)，而(er)鋯(gao)制減(jian)壓閥(fa)、攪(jiao)拌器和(he)(he)(he)流(liu)量計等器件也在化(hua)肥生產、污水(shui)處理和(he)(he)(he)染(ran)料工業中(zhong)得以應(ying)用。耐蝕性鋯(gao)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)主要(yao)為(wei)Zr702、Zr704、Zr705和(he)(he)(he)Zr706合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)［16－17］。Zr702合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)接近于(yu)純鋯(gao)，主要(yao)加入了少量的(de)(de)(de)O、H和(he)(he)(he)N等元素(su)，其耐蝕性能(neng)較(jiao)高，但力學性能(neng)較(jiao)低，在含FeCl3的(de)(de)(de)硫酸介質中(zhong)作為(wei)化(hua)工管道(dao)(dao)使用。Zr705合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)為(wei)鋯(gao)鈮合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)，其力學性能(neng)是Zr702合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)2倍，對強度(du)和(he)(he)(he)延伸率要(yao)求(qiu)比較(jiao)高的(de)(de)(de)化(hua)工設(she)備(bei)例(li)如(ru)柵欄(lan)式(shi)換熱(re)(re)器等通常(chang)使用Zr705合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)作為(wei)原材(cai)(cai)料。

生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)醫用(yong)材料(liao)是近(jin)年來(lai)新興的(de)(de)(de)(de)一(yi)種高(gao)新技術(shu)材料(liao)，而(er)(er)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)醫用(yong)合(he)(he)金(jin)(jin)必須與(yu)(yu)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)體(ti)液環境(jing)具有(you)良好的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)容(rong)性(xing)(xing)以及良好的(de)(de)(de)(de)耐腐(fu)(fu)蝕性(xing)(xing)。Ti6Al4V合(he)(he)金(jin)(jin)是較早應(ying)用(yong)在(zai)人(ren)(ren)體(ti)硬(ying)組織的(de)(de)(de)(de)植入鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)，但其接近(jin)110GPa的(de)(de)(de)(de)彈性(xing)(xing)模(mo)量(liang)遠超(chao)出(chu)(chu)了人(ren)(ren)體(ti)自然骨骼(ge)(ge)15~30GPa的(de)(de)(de)(de)彈性(xing)(xing)模(mo)量(liang)［18］。鋯因(yin)具有(you)良好的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)容(rong)性(xing)(xing)、與(yu)(yu)骨骼(ge)(ge)類(lei)似(si)的(de)(de)(de)(de)彈性(xing)(xing)模(mo)量(liang)以及良好的(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)而(er)(er)被(bei)科(ke)(ke)研人(ren)(ren)員(yuan)所(suo)重視。90年代(dai)初，Smith＆NephewRiｃhards公司研制出(chu)(chu)了一(yi)種ZrTiNb合(he)(he)金(jin)(jin)，它不僅彈性(xing)(xing)模(mo)量(liang)與(yu)(yu)人(ren)(ren)體(ti)骨骼(ge)(ge)相(xiang)(xiang)類(lei)似(si)，而(er)(er)且具有(you)完全(quan)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)相(xiang)(xiang)容(rong)性(xing)(xing)［19－20］。Williams等［21］也證(zheng)實(shi)了ZrTiNb合(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)腐(fu)(fu)蝕和(he)摩擦磨(mo)損共同作用(yong)條(tiao)件下的(de)(de)(de)(de)退化程度明(ming)顯(xian)小于(yu)Ti6Al4V合(he)(he)金(jin)(jin)。隨后，一(yi)系(xi)列的(de)(de)(de)(de)醫用(yong)鋯合(he)(he)金(jin)(jin)被(bei)研發出(chu)(chu)來(lai)，例(li)如(ru)ZrNb［22］、ZrMo［23］、ZrCu［24］、ZrMoTi［25］和(he)ZrSi［26］等合(he)(he)金(jin)(jin)。近(jin)年來(lai)，科(ke)(ke)研人(ren)(ren)員(yuan)發現α＋β雙相(xiang)(xiang)和(he)β單(dan)相(xiang)(xiang)鋯合(he)(he)金(jin)(jin)與(yu)(yu)人(ren)(ren)體(ti)肌肉、骨骼(ge)(ge)和(he)腦組織相(xiang)(xiang)容(rong)性(xing)(xing)最佳(jia)。此外，β單(dan)相(xiang)(xiang)合(he)(he)金(jin)(jin)與(yu)(yu)α單(dan)相(xiang)(xiang)合(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)(xiang)比具有(you)較好的(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)及耐磨(mo)性(xing)(xing)，是一(yi)種很有(you)前途(tu)的(de)(de)(de)(de)外科(ke)(ke)植入用(yong)合(he)(he)金(jin)(jin)，可以在(zai)各種醫療器械和(he)其他的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)醫用(yong)材料(liao)中使用(yong)。

１.３高強韌鋯合金

在(zai)空(kong)間探(tan)測、深海探(tan)測以及(ji)高(gao)(gao)速鐵路等(deng)(deng)(deng)(deng)領域中，往往存在(zai)一些(xie)特殊(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)環(huan)(huan)境，例(li)如－200~200℃的(de)(de)(de)(de)(de)(de)交變溫度(du)環(huan)(huan)境、持續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)間輻(fu)照和(he)結構(gou)件(jian)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對運動等(deng)(deng)(deng)(deng)等(deng)(deng)(deng)(deng)。在(zai)這(zhe)些(xie)特殊(shu)環(huan)(huan)境下(xia)，長期服役(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)件(jian)往往面(mian)臨著(zhu)(zhu)疲(pi)勞損傷、尺寸不穩定、原子氧侵蝕(shi)和(he)摩擦(ca)磨損等(deng)(deng)(deng)(deng)問(wen)題(ti)［25］。目(mu)前，應(ying)用(yong)(yong)在(zai)這(zhe)些(xie)特殊(shu)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)件(jian)主要(yao)(yao)由20Cr、GCr15等(deng)(deng)(deng)(deng)合(he)(he)(he)(he)金鋼(gang)材(cai)料(liao)制備(bei)，它們往往存在(zai)抗輻(fu)照性能差、活動構(gou)件(jian)易損傷、密(mi)度(du)大和(he)成本(ben)高(gao)(gao)等(deng)(deng)(deng)(deng)問(wen)題(ti)［27－28］。而鋯(gao)(gao)(gao)及(ji)其合(he)(he)(he)(he)金與傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)(he)金鋼(gang)等(deng)(deng)(deng)(deng)材(cai)料(liao)相(xiang)(xiang)比有(you)幾個重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)(qian)質(zhi)：1）熱膨脹系數(shu)小，尺寸結構(gou)穩定，具(ju)有(you)制備(bei)精密(mi)結構(gou)部件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)(qian)質(zhi)；2）具(ju)有(you)抗空(kong)間輻(fu)照損傷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)(qian)質(zhi)；3）具(ju)有(you)抗原子氧侵蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)(qian)質(zhi)［29］。因此，鋯(gao)(gao)(gao)及(ji)其合(he)(he)(he)(he)金有(you)望(wang)適應(ying)特殊(shu)領域中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非常(chang)規壞境條件(jian)，具(ju)有(you)作(zuo)(zuo)為特殊(shu)環(huan)(huan)境下(xia)結構(gou)件(jian)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)(qian)力。而純(chun)鋯(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗拉(la)強(qiang)度(du)較(jiao)低(di)，只(zhi)有(you)大約300MPa，不可能直接作(zuo)(zuo)為結構(gou)件(jian)來(lai)使(shi)用(yong)(yong)［30］。進(jin)行強(qiang)韌化處(chu)理將成為鋯(gao)(gao)(gao)作(zuo)(zuo)為結構(gou)件(jian)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)環(huan)(huan)節。目(mu)前，科研工作(zuo)(zuo)者已經研制出了(le)幾種典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋯(gao)(gao)(gao)合(he)(he)(he)(he)金，例(li)如ZrTi［31］、ZrCr［32］、ZrB［33－34］、ZrBe［35－36］、ZrAl［37］、ZrTiAl［38］及(ji)ZrTiAlV［39］等(deng)(deng)(deng)(deng)合(he)(he)(he)(he)金。這(zhe)些(xie)鋯(gao)(gao)(gao)合(he)(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗拉(la)強(qiang)度(du)和(he)純(chun)鋯(gao)(gao)(gao)相(xiang)(xiang)比具(ju)有(you)顯(xian)著(zhu)(zhu)提升，ZrTiAlV合(he)(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗拉(la)強(qiang)度(du)甚(shen)至超過了(le)1600MPa，具(ju)有(you)非常(chang)廣闊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)前景［30］。

2、新型高強韌鋯合金的研究現狀及應用

2.1 新型(xing)高強(qiang)韌鋯合金(jin)的設計(ji)與制備

純(chun)鋯有2種(zhong)主要(yao)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，密(mi)排六方(fang)（HCP）的(de)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（常溫(wen)常壓(ya)）和(he)體心立方(fang)（BBC）的(de)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（高溫(wen)），除此(ci)以(yi)外還存在(zai)著(zhu)大量(liang)的(de)亞穩相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)［40］。這些具有不同結構(gou)(gou)的(de)同素(su)異(yi)(yi)構(gou)(gou)體是設計新(xin)型(xing)鋯合金(jin)的(de)基礎，因此(ci)充分了(le)解不同相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)結構(gou)(gou)及(ji)其性(xing)質(zhi)上的(de)差異(yi)(yi)非常關鍵。研(yan)究發現，α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)具有更(geng)加明顯的(de)各向異(yi)(yi)性(xing)（力學與物理性(xing)能）、較低的(de)自擴散系數、較好的(de)抗(kang)蠕變性(xing)能和(he)較高的(de)強度。此(ci)外，還可(ke)以(yi)從電子(zi)密(mi)度拓撲(pu)結構(gou)(gou)出發，建立鋯基本相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)宏(hong)觀(guan)特性(xing)與微(wei)觀(guan)電子(zi)結構(gou)(gou)的(de)關系，從而(er)為新(xin)型(xing)高強韌鋯合金(jin)的(de)設計提供重要(yao)的(de)理論指導(dao)。

對于單相(xiang)無(wu)序固(gu)溶體型(xing)鋯合(he)金，合(he)金元(yuan)素(su)的添加可以(yi)較好地控制相(xiang)含量(liang)(liang)及力(li)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)。通過大量(liang)(liang)實(shi)驗和理(li)論計(ji)算系(xi)統研究(jiu)了Ti、Al、V、Cr、C、Sn、Mo的固(gu)溶強(qiang)化效(xiao)果，結果表明，與Zr具有相(xiang)似物理(li)化學(xue)性(xing)(xing)質的Ti元(yuan)素(su)的固(gu)溶強(qiang)化效(xiao)果最明顯，其(qi)他元(yuan)素(su)固(gu)溶強(qiang)化效(xiao)果依次(ci)為Al、V、C、Cr［7］。

因(yin)(yin)此，新型(xing)高強(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)應當為(wei)Zr－Ti基，并適當加入其他合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素，然后通過固(gu)溶處理對(dui)(dui)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)進(jin)行強(qiang)化(hua)以及(ji)控制亞穩β相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)。對(dui)(dui)于雙(shuang)(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，除了(le)具(ju)有相(xiang)(xiang)(xiang)結構的(de)(de)變(bian)化(hua)之外，還具(ju)有豐富的(de)(de)組織(zhi)(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)態，因(yin)(yin)此可以通過組織(zhi)(zhi)設(she)計(ji)而(er)使性能(neng)得到(dao)(dao)優化(hua)［41］。一(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian)，雙(shuang)(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中由α相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)β相(xiang)(xiang)(xiang)組成(cheng)的(de)(de)雙(shuang)(shuang)(shuang)韌(ren)相(xiang)(xiang)(xiang)可以保(bao)證(zheng)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)塑性變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)力；另一(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian)，不同形(xing)(xing)(xing)(xing)態的(de)(de)雙(shuang)(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)組織(zhi)(zhi)中存在(zai)大量(liang)(liang)的(de)(de)α／β相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)面(mian)，從而(er)對(dui)(dui)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)起(qi)到(dao)(dao)顯著的(de)(de)強(qiang)化(hua)作用(yong)。為(wei)了(le)進(jin)一(yi)(yi)步明確α／β相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)面(mian)的(de)(de)強(qiang)化(hua)效(xiao)應以及(ji)強(qiang)度(du)設(she)計(ji)方(fang)(fang)法(fa)，在(zai)單(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)無序固(gu)溶體強(qiang)韌(ren)化(hua)設(she)計(ji)的(de)(de)基礎(chu)上，結合(he)(he)雙(shuang)(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)組織(zhi)(zhi)形(xing)(xing)(xing)(xing)態、晶粒尺(chi)寸、缺陷(xian)和(he)相(xiang)(xiang)(xiang)含量(liang)(liang)等影(ying)響因(yin)(yin)素，建立了(le)雙(shuang)(shuang)(shuang)韌(ren)相(xiang)(xiang)(xiang)材(cai)料(liao)的(de)(de)強(qiang)度(du)設(she)計(ji)Hall-Petｃh方(fang)(fang)法(fa)［42］，其意義(yi)在(zai)于可以通過調節熱(re)處理工藝(yi)控制組織(zhi)(zhi)參數，設(she)計(ji)獲得所需(xu)性能(neng)。結合(he)(he)單(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)固(gu)溶體鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)強(qiang)度(du)塑性變(bian)化(hua)規律、雙(shuang)(shuang)(shuang)韌(ren)性相(xiang)(xiang)(xiang)材(cai)料(liao)的(de)(de)強(qiang)度(du)設(she)計(ji)及(ji)Hall－Petｃh方(fang)(fang)法(fa)已經(jing)設(she)計(ji)開發(fa)出了(le)多(duo)種新型(xing)高強(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)材(cai)料(liao)（部(bu)分新型(xing)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)如表1所示(shi)）［43－48］。與傳統的(de)(de)ZrSn、ZrNb等核用(yong)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)比，新型(xing)高強(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)強(qiang)度(du)提升(sheng)了(le)1~5倍(bei)，且能(neng)夠保(bao)持良好的(de)(de)塑性。

由于鋯(gao)合(he)(he)(he)金(jin)較高(gao)(gao)的(de)熔點（1400~1800℃），高(gao)(gao)溫凝固后(hou)的(de)組(zu)織(zhi)將非(fei)常粗大且很不(bu)均勻，這(zhe)樣就(jiu)會導致合(he)(he)(he)金(jin)力(li)學性能的(de)急劇惡(e)化。因此(ci)，需要通過后(hou)續變形(xing)再結晶和多種熱處理(li)工藝以調整組(zu)織(zhi)形(xing)態(tai)并獲取優異的(de)綜(zong)合(he)(he)(he)力(li)學性能。組(zu)織(zhi)超(chao)細化可以有效提高(gao)(gao)合(he)(he)(he)金(jin)強度(du)，而組(zu)織(zhi)等(deng)軸化則能夠使合(he)(he)(he)金(jin)具有良好的(de)塑性。因此(ci)，超(chao)細化和組(zu)織(zhi)等(deng)軸化是(shi)組(zu)織(zhi)優化的(de)核心。新型(xing)鋯(gao)合(he)(he)(he)金(jin)也繼承(cheng)了(le)傳(chuan)統鈦合(he)(he)(he)金(jin)的(de)熱變形(xing)及熱處理(li)手段（如鍛造、熱軋(ya)、退(tui)火、固溶(rong)時(shi)效等(deng)）來(lai)優化合(he)(he)(he)金(jin)的(de)顯微組(zu)織(zhi)。

科研工作者(zhe)最近(jin)開發出了一種新型的鋯(gao)合(he)(he)(he)金復合(he)(he)(he)變形(xing)(xing)熱處理工藝［47］，即亞(ya)穩β／α″馬氏體相中低溫大(da)塑性變形(xing)(xing)結合(he)(he)(he)長時(shi)間低溫時(shi)效復合(he)(he)(he)工藝。圖1所示(shi)為通過復合(he)(he)(he)優化(hua)技術所獲取(qu)的等軸及雙態(tai)鋯(gao)合(he)(he)(he)金組織。通過組織優化(hua)的新型高強(qiang)韌鋯(gao)合(he)(he)(he)金強(qiang)度可(ke)達(da)到1500~1700MPa，并且具(ju)有5%~12%的塑性。

如圖(tu)2所(suo)示，ZrTiAlV合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)經(jing)過(guo)(guo)復合(he)(he)優化技術處(chu)理之后(hou)，其可在(zai)保(bao)證一(yi)定(ding)塑性的(de)(de)(de)前提下抗(kang)拉強度可達1600MPa。而經(jing)過(guo)(guo)650℃時(shi)效處(chu)理之后(hou)的(de)(de)(de)ZrTiAlV合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)抗(kang)拉強度達到1400MPa以上，且延(yan)伸率大(da)于12%［49］。新(xin)型(xing)高強韌鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)開(kai)發(fa)打(da)破(po)了(le)傳統鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)力學性能(neng)方面的(de)(de)(de)限(xian)制，極(ji)大(da)地擴大(da)了(le)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)應用(yong)范圍。

2.2 新型高強(qiang)韌鋯合金的強(qiang)化(hua)機(ji)理

2.2.1 固溶強化

在Zr基(ji)體(ti)中固(gu)溶(rong)度(du)較(jiao)高的(de)(de)有Ti、Al、V、Nb等合(he)金化(hua)元素。溶(rong)質(zhi)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)與Zr原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間的(de)(de)尺寸差會(hui)導致(zhi)Zr基(ji)體(ti)晶格發(fa)生畸(ji)變(bian)，從(cong)而產生固(gu)溶(rong)強化(hua)。此外，添(tian)加的(de)(de)合(he)金化(hua)元素越(yue)多(duo)，會(hui)導致(zhi)合(he)金整體(ti)的(de)(de)晶格畸(ji)變(bian)量(liang)增加，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之(zhi)間的(de)(de)相互作用力隨之(zhi)增強，鋯合(he)金的(de)(de)固(gu)溶(rong)強化(hua)效(xiao)(xiao)果(guo)越(yue)明顯。圖3所示為添(tian)加不同Al含量(liang)后ZrAl合(he)金的(de)(de)XRD譜圖，可以觀察(cha)到α相的(de)(de)衍(yan)射峰逐漸(jian)向高角度(du)方向偏移。Al的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)（0.143nm）小于Zr的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)半徑(jing)（0.162nm），Al原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)固(gu)溶(rong)進Zr基(ji)體(ti)后，促使(shi)α相的(de)(de)晶格參數(shu)a值(zhi)逐漸(jian)減小，而c/a值(zhi)逐漸(jian)增大，從(cong)而引發(fa)Zr基(ji)體(ti)的(de)(de)晶格畸(ji)變(bian)隨Al含量(liang)的(de)(de)增加而增大，固(gu)溶(rong)強化(hua)的(de)(de)效(xiao)(xiao)果(guo)逐漸(jian)增強。

2.2.2 第(di)二(er)相強(qiang)化

B、Be、Cr、C等(deng)合(he)金(jin)元素在(zai)Zr基體中(zhong)的固(gu)溶(rong)度(du)較低(di)，主要以第(di)二相(xiang)的形式存在(zai)，進而(er)對合(he)金(jin)產生第(di)二相(xiang)強化(hua)。梁順星等(deng)［50］通(tong)過(guo)向Zr合(he)金(jin)中(zhong)添(tian)加C元素形成化(hua)合(he)物(wu)來提(ti)升合(he)金(jin)的表面硬度(du)并達到了較理想的效(xiao)果。此(ci)外，當溶(rong)質原子（如(ru)Al、V等(deng)）的添(tian)加量低(di)于β相(xiang)的固(gu)溶(rong)度(du)而(er)高(gao)于α相(xiang)的固(gu)溶(rong)度(du)時，通(tong)過(guo)固(gu)溶(rong)處理可以使Zr合(he)金(jin)獲取過(guo)飽和的高(gao)溫相(xiang)

固(gu)溶(rong)體(ti)(ti)，而在(zai)隨后的低溫(wen)時(shi)效(xiao)處理過程中則會析出(chu)化合(he)物(wu)發生第二相(xiang)強化。一(yi)般情況(kuang)下，利(li)用固(gu)溶(rong)＋時(shi)效(xiao)方法獲(huo)取的化合(he)物(wu)能夠(gou)均(jun)勻(yun)地分(fen)布(bu)在(zai)合(he)金基體(ti)(ti)中，對Zr合(he)金強度的提升有較大的貢獻。

2.2.3 細晶(jing)強化(hua)

添加合(he)金(jin)元素(su)（如B、Be、Cr和(he)Ti等）或通過(guo)合(he)適的(de)(de)(de)熱變形(xing)及熱處理手段都可(ke)使Zr合(he)金(jin)的(de)(de)(de)組(zu)織得到細化(hua)，進(jin)而產生細晶強(qiang)化(hua)作用。圖(tu)(tu)4為(wei)純(chun)Zr及添加質量分(fen)數1.0%的(de)(de)(de)Be元素(su)后Zr合(he)金(jin)的(de)(de)(de)顯微組(zu)織圖(tu)(tu)片［35］。添加Be元素(su)之(zhi)后合(he)金(jin)的(de)(de)(de)顯微組(zu)織得到明顯的(de)(de)(de)細化(hua)，原因為(wei)低(di)(di)固(gu)溶度(du)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)能(neng)夠促(cu)進(jin)基體(ti)在凝(ning)固(gu)過(guo)程中的(de)(de)(de)形(xing)核。此外，景然等［51］證(zheng)實了降(jiang)低(di)(di)退(tui)火溫度(du)可(ke)使Zr合(he)金(jin)中α相板條寬(kuan)度(du)逐(zhu)漸降(jiang)低(di)(di)，從(cong)而增加合(he)金(jin)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)及硬度(du)。

2.3 新型(xing)高強(qiang)韌鋯合金的應(ying)用

2.3.1 核(he)電、化工等領域

新開發的鋯合(he)(he)(he)金(jin)(jin)同(tong)時具有高(gao)強(qiang)韌性、耐輻照(zhao)和(he)耐腐蝕(shi)的優異性能，其抗(kang)腐蝕(shi)能力明顯優于(yu)目前(qian)化(hua)工行業(ye)(ye)中(zhong)常(chang)用的合(he)(he)(he)金(jin)(jin)材料（如不(bu)銹鋼和(he)Ti6Al4V等）［52］，并(bing)已成(cheng)功推(tui)廣應(ying)用于(yu)含重金(jin)(jin)屬離(li)子廢(fei)水、核工業(ye)(ye)企業(ye)(ye)廢(fei)水、廢(fei)甲醇回收利用、有機廢(fei)氣凈化(hua)、電子產品(pin)生產工業(ye)(ye)廢(fei)水等處理(li)裝置中(zhong)，替代目前(qian)常(chang)用的合(he)(he)(he)金(jin)(jin)材料制作(zuo)了(le)管道閥(fa)門(men)、反應(ying)器、傳動構件等數十種產品(pin)（如圖5所示），原材料與加工成(cheng)本雖然略(lve)有增加，但使(shi)用壽命(ming)提高(gao)了(le)約(yue)3~5倍，有的甚(shen)至(zhi)達到10倍以上。

2.3.2 航空航天(tian)業

目前新型高強韌鋯合金已經在空間機構關鍵活動構件上得到應用。經測試，新型高強韌鋯合金比傳統合金鋼具備更好的耐輻照、交變溫度場、空間低溫、超高真空、耐摩擦磨損等能力。例如Zr45Ti5Al3V合金，強度達到1300MPa，斷后延伸率達到9%，基體硬度為HRC42，表面處理后可以達到HRC62，其優異的綜合力學性能，滿足了空間活動構件的要求。在空間環境效應方面進行了一系列測試：1）合金經帶電粒子輻照后進行宏觀力學性能、表面納米硬度和磨損測試，結果顯示其在空間低能質子輻照條件下可以進行可靠服役；2）合金經原子氧暴露后，提高了其表面抗腐蝕和抗劃擦能力；3）對其進行2~8km／s的微小碎片累積高速撞擊實驗，撞擊后合金產生明顯的塑性變形，并在高溫下完成旋轉動態再結晶過程，發生表面硬化，增強了其抵抗空間微小碎片累積撞擊的能力；4）在－100℃的低溫條件下進行拉伸實驗，其抗拉強度為1720MPa，塑性雖有所降低，但仍保持在4%左右；5）在－100~100℃條件下，該合金組織結構幾乎不發生變化，強度沒有改變，同時在該溫度范圍內熱膨脹系數為6.7×10^-6K^-1，約為鋼的(de)1/2，確保了(le)(le)活動(dong)機(ji)(ji)構(gou)件(jian)的(de)高(gao)精(jing)度運行(xing)。總之，在(zai)空(kong)間(jian)帶(dai)電粒(li)子(zi)(zi)輻照、空(kong)間(jian)原(yuan)子(zi)(zi)氧侵(qin)蝕(shi)、低(di)溫等(deng)耦合(he)作用(yong)(yong)(yong)下，該高(gao)強(qiang)韌(ren)鋯合(he)金構(gou)件(jian)仍(reng)可以進行(xing)可靠(kao)服役。目前已經制(zhi)備(bei)出一(yi)系列空(kong)間(jian)機(ji)(ji)構(gou)關鍵(jian)活動(dong)構(gou)件(jian)，既拓(tuo)寬了(le)(le)鋯合(he)金的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)范圍(wei)，又(you)突破(po)了(le)(le)空(kong)間(jian)活動(dong)機(ji)(ji)構(gou)的(de)選材局限性。圖6為鋯合(he)金在(zai)某空(kong)間(jian)操(cao)作機(ji)(ji)構(gou)中的(de)角(jiao)形滑道(dao)器，該部件(jian)的(de)使(shi)用(yong)(yong)(yong)不僅能使(shi)活動(dong)構(gou)件(jian)整體質量降低(di)16%，而且還(huan)提升了(le)(le)機(ji)(ji)構(gou)整體的(de)精(jing)度。

3、結語

根據現(xian)(xian)有(you)(you)的研(yan)究，鋯(gao)合(he)金(jin)已(yi)經(jing)(jing)廣泛(fan)應(ying)(ying)用(yong)于國民經(jing)(jing)濟、國防建設的許(xu)多(duo)領域(yu)，特別是在(zai)(zai)核工(gong)業(ye)(ye)和(he)化(hua)工(gong)生(sheng)產中具有(you)(you)十(shi)分重(zhong)要的用(yong)途。然(ran)而，由于鋯(gao)合(he)金(jin)較差的力學性能，造成其應(ying)(ying)用(yong)范圍較窄，應(ying)(ying)用(yong)效果還不(bu)深入。目前在(zai)(zai)高強(qiang)(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)金(jin)方面的研(yan)究還處于發(fa)展(zhan)階段，但(dan)高強(qiang)(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)金(jin)已(yi)經(jing)(jing)表現(xian)(xian)出優異的綜合(he)性能和(he)巨大的應(ying)(ying)用(yong)潛力。因此(ci)，科研(yan)工(gong)作者應(ying)(ying)進(jin)一步加(jia)強(qiang)(qiang)高強(qiang)(qiang)韌(ren)鋯(gao)合(he)金(jin)技術研(yan)究并強(qiang)(qiang)化(hua)其應(ying)(ying)用(yong)，這對(dui)加(jia)快我國工(gong)業(ye)(ye)化(hua)發(fa)展(zhan)過(guo)程具有(you)(you)重(zhong)要意義。

3、結語

根據現有的(de)研究(jiu)，鋯合(he)(he)金(jin)已(yi)經(jing)(jing)廣泛應(ying)用(yong)于(yu)國民(min)經(jing)(jing)濟、國防建設的(de)許多領域，特(te)別是在核(he)工業和(he)化工生產中具(ju)有十分(fen)重要的(de)用(yong)途。然而，由于(yu)鋯合(he)(he)金(jin)較(jiao)差的(de)力(li)學性能，造成其應(ying)用(yong)范圍較(jiao)窄，應(ying)用(yong)效果還不(bu)深入。目前在高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)鋯合(he)(he)金(jin)方面的(de)研究(jiu)還處于(yu)發展階段，但(dan)高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)鋯合(he)(he)金(jin)已(yi)經(jing)(jing)表現出優(you)異(yi)的(de)綜合(he)(he)性能和(he)巨(ju)大的(de)應(ying)用(yong)潛力(li)。因此，科研工作者(zhe)應(ying)進一步(bu)加強(qiang)高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)鋯合(he)(he)金(jin)技術研究(jiu)并強(qiang)化其應(ying)用(yong)，這對(dui)加快我(wo)國工業化發展過(guo)程具(ju)有重要意義。

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