用于核反应堆和航天，金属材料中的王者--锆！全方位认识锆及锆制设备

锆（Zr），可用于核反应堆和航空航天，具备超强的抗腐蚀、耐高温、抗辐射能力，所以我称之为金属材料界的王者也不为过。

锆材动辄上百万元一吨的价格，也让人望而却步。为了全面了解这个王者，今天小编做个详细的介绍，送给有缘人！

锆与钛、铪同族，元素周期表中位置见下图红框。

化学元素周期表

*（一）应用范围

航空航天--ZrO₂熔点高达2700℃，耐高温性能强劲，如飞船脱落瓦；

核反应堆--反应堆燃料棒包壳用锆，良好的耐核子辐射和机械性能；

核反应堆燃料棒包壳

化工行业--如甲醇羰基化醋酸工艺装置中的脱轻塔，脱水塔为锆复合板设备；

新型陶瓷--氧化锆陶瓷可用于口腔，生物相容性好，化学性能稳定；

氧化锆陶瓷

耐火材料--氧化锆纤维是优质的耐火纤维材料，可作为高温窑炉的炉衬，耐高温，抗氧化，可在1600-2000℃以上高温下长期使用。

*（二）锆矿石

最常用的锆矿石主要包括锆英石（ZrSiO4）和斜英石（ZrO2），是提取锆的最重要矿物原料。全球锆矿主要产地在澳大利亚、南非和印度等国家，我国锆矿储量贫乏。

锆英砂

作为同族元素，锆矿石中基本都含有铪（Hf）元素，在矿石中普遍共生，分离复杂。核能级锆，必须严格控制锆中铪（hf）元素的含量，因为铪元素含量高，会导致材料抗中子辐射脆化性能差。

锆和铪物理性能比较

*（三）物理性能和金相组织

锆为银色稀有金属，熔点1850℃，密度6.5g/cm3。

活性高，接触明火时可能燃烧。

862℃为锆材的同素异晶转变温度，低于862℃为密集六方晶格，高温时为体心立方晶格。

≤862℃时的锆材晶格

因此，锆材作为压力容器用钢，工作时为密集六方晶格，塑性差。所以，锆材一般采用热加工，可提高材料塑性和成型性能，成型温度控制在500-600℃较好。

因为部分元素在密排六方晶格中溶解度低，容易有脆性组织生成，锆材不应与钢、铝、铜、镍直接熔焊。

*（四）锆材料

锆材分工业级锆和核能级锆。非核用压力容器一般使用工业级锆材即可，主要使用锆材优异的抗腐蚀性能。常见的牌号如下表格，表格右侧为ASME牌号。

*（五）锆材性能

工业级压力加工锆材室温力学性能

锆（Zr-3）在各温度时的物理性能，红字为普通碳素钢数据

（1）弹性模量和膨胀系数

锆材的弹性模量E和热膨胀系数，都约为普通碳素钢的一半。

锆材与普通碳素钢相比屈服强度差别不大，根据σ=Eε,所以冷成型的回弹量比普通碳素钢大得多。

锆换热管与钢制管板的胀接，应考虑温度升高后因热膨胀系数的差别而引起的胀接拉脱力的降低。

衬锆容器升温时，也因为膨胀系数的差异，锆复层所受拉伸热应力较大。

（2）许用应力

NB/T47011中压力容器用退火状态非螺栓用锆材许用应力

对比GB150.2中Q245R,Q345R许用应力

对比发现，相对碳素钢，锆材许用应力值随温度升高，衰减值较大。

*（六）锆材设备技术要求

选材理念：比对锆材的许用应力知，高温时锆材承压能力有限。锆材的价格昂贵，进口702锆价格上百万/吨，国产也要几十万元/吨。为了满足耐腐蚀和承压能力的同时，保证合理的经济性，大型锆材设备选择锆复合板的居多。复层一般用Zr-1或Zr-3。

结合率：锆复合钢板，结合面剪切强度不得低于140MPa ，面积结合率A级，≥99%。若要求更高的结合质量，可采用工业纯钛板作为复合板的中间夹层。

热处理状态：锆材压力容器使用的锆材（板、管、锻件等）均应为再结晶退火状态。

制造：防止铁离子污染，造成电偶腐蚀。

焊后退火热处理：温度510-620℃，厚度≤25mm，保温≥1h；厚度增加，保温延长。

超声检测：厚度超过6mm的承压用锆板应逐张进行超声监测。板厚6-25mm，A1级合格（单个不连续孔直径≤1.2mm）；板厚25-50mm，A级合格（单个不连续孔直径≤2mm）。

压力试验：锆材管材应逐根进行液压（气压）试验，最小试验压力P=2ST/D，S为允许的纤维应力，Zr-3和Zr-5的S值分别为前述表中屈服强度Rp0.2的一半，试验压力P不能超过17.2MPa。

酸洗钝化：压力试验后，锆材表面进行酸洗钝化处理

泄漏试验：复合板制容器或衬里为锆材的压力容器应进行泄漏试验（考虑到多为强腐蚀性介质）。

检漏机构：衬锆压力容器的衬层与基层之间，以及锆复合板压力容器的覆层焊接接头与基层间，一般应设置检漏结构。

*（八）锆设备焊接

焊接原则：主要采用氩弧焊焊接，因为锆材遇到氧气容易燃烧，且容易吸氢、吸氮，焊接时必须用高纯度惰性氩气保护。

接头型式：锆材复合板容器中，焊接时因为基层和复层不能互熔，基层为对接焊接接头时，复层多采用垫板与盖板组合的衬里结构，详见下图。

锆复合板压力容器对接接头形式 之一

作为对比，奥氏体不锈钢复合钢板的对接焊接接头

锆复合板设备内部锆复层焊接接头

锆复合板设备内部接管焊接接头

焊缝质量直观判断：根据焊缝颜色判断。

锆材焊缝及热影响区表面颜色

*（九）锆的耐腐蚀性能

锆的电位-ph腐蚀图

（1）在大多数酸、碱、盐中具有优良耐蚀性能，但在氢氟酸、浓硫酸、王水中耐腐蚀不好。

（2）锆与钛类似，具备极强的钝化性。在强还原性酸如盐酸（温度不宜超过149℃，超过宜发生氢脆）、含卤素离子的酸中耐腐蚀性能良好。介质中含有FeCl3、CuCl2等氯化物会加速对锆材的腐蚀。

锆在各种酸中的腐蚀速度

锆在盐酸中的等腐蚀曲线mm/a

（3）对氧、氮、氢的吸收

氧：锆在空气中常温下表面就会形成钝化层，425℃以上钝化层疏松脱落，540℃生成白色氧化锆，700℃氧化变脆；

氮：400℃以上与氮反应，800℃反应剧烈；

氢：常温下，锆材即可吸收氢，250℃以上吸收氢能力变强，易导致氢脆。

上述也解释了，为何锆材焊接必须用惰性气体保护，隔绝空气中的氧、氮、氢。

（4）抗点腐蚀、抗应力腐蚀开裂性能优良，耐海水腐蚀性能比钛更优异。

不当之处，请批评指正！

了解更多，欢迎关注↓