一、背景

鋯（Zr）的命名源于鋯石，鋯石則來源于波斯語“金色(zargun)”，早在幾個(gè)世紀(jì)前，鋯石已經(jīng)被人類用作珠寶。鋯石在圣經(jīng)中也有被提及，稱其是以色列大祭司佩戴的12種寶石之一。而后，在化學(xué)家馬丁提純鋯的氧化物時(shí)，鋯元素被正式命名。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)材料已經(jīng)很難滿足當(dāng)下日益嚴(yán)苛的工業(yè)服役條件，新型高性能材料的研發(fā)勢(shì)在必行。由此，鋯及鋯合金在近年來備受關(guān)注。

鑒于鋯及鋯合金具有密度低，比強(qiáng)高，耐腐蝕，耐輻照，優(yōu)良的耐磨性，加工性能優(yōu)異，無毒，無磁，熱中子吸收截面小等一系列特點(diǎn)，鋯合金優(yōu)先在核工業(yè)中得到了不可替代的應(yīng)用，因此世界各國(guó)都十分重視鋯合金的研究開發(fā)工作。如今，隨著對(duì)鋯合金的研究趨于成熟，鋯棒、鋯管、鋯板等鋯合金在航空航天、海洋工程、化工行業(yè)、醫(yī)用行業(yè)及一些特殊領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。作為重要的戰(zhàn)略性材料，鋯被譽(yù)為“原子時(shí)代第一金屬”、世界第三代的優(yōu)良特種耐蝕材料。

由于其冶煉提純的工藝復(fù)雜苛刻、科技含量高，鋯被視作稀有金屬，是這也是其貴重的主要原因。與同族元素鈦相比，鋯更加具備驚人的抗腐蝕性能、極高的熔點(diǎn)、超高的硬度和強(qiáng)度等特性。雖然諸多鈦合金產(chǎn)品已被大家熟知，但鈦產(chǎn)品的抗腐蝕性能遠(yuǎn)不如鋯合金產(chǎn)品。所以，鋯是名至實(shí)歸的核能金屬、太空金屬、不朽金屬、人體親和金屬。

新型高強(qiáng)韌鋯合金

高強(qiáng)韌輕質(zhì)鋯合金可分為晶態(tài)鋯合金與非晶態(tài)鋯合金。

晶態(tài)鋯合金按其相組成通常可分為α型鋯合金、α+β型鋯合金和β型鋯合金。從力學(xué)性能的角度出發(fā)，α型鋯合金具有較高的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度可達(dá)1600MPa以上）與硬度，其耐摩擦磨損性能優(yōu)于鈦合金，經(jīng)表面處理后其耐磨性提升明顯；α+β型鋯合金同時(shí)存在兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的相，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能；β型鋯合金滑移系較多，具有較高的塑性（斷后延伸率可達(dá)30%）。

非晶態(tài)鋯合金其固態(tài)物質(zhì)原子的排列所具有的近程有序、長(zhǎng)程無序的狀態(tài)，是一種典型的亞穩(wěn)態(tài)，故此非晶材料也被稱為金屬玻璃或液態(tài)金屬。鋯基非晶合金的硬度在60HRC以上（比不銹鋼高20%以上），具備超高的強(qiáng)度、耐磨性，遠(yuǎn)超合金鋼（例如：比強(qiáng)度是20CrMnTi合金鋼的2.4倍），且密度比合金鋼降低30%以上，無需進(jìn)行表面處理即擁有光潔的表面，但有臨界尺寸的限制。

無論是晶態(tài)鋯合金還是非晶態(tài)鋯合金除了具備鋯合金的所有優(yōu)點(diǎn)與特性外還各持所長(zhǎng)，鋯合金分類，為鋯合金的應(yīng)用與產(chǎn)品的材料選擇提供了簡(jiǎn)單明了的指導(dǎo)。

二、應(yīng)用

1、原子能核能領(lǐng)域

鋯合金主要應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域中的包殼材料、壓力管及元件盒等，其熱中子吸收截面積小（僅為0.18×10-28m2），用鋯合金代替不銹鋼作為核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，可以節(jié)省近一半的鈾燃料，鋯合金在300~400℃高溫高壓水蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，在反應(yīng)堆內(nèi)有相當(dāng)好的抗中子輻照性能，也使得反應(yīng)堆提高了數(shù)十年的使用壽命，鋯合金還有適中的力學(xué)性能、良好的加工性能以及和鈾燃料良好的相容性。鋯在核電工業(yè)，核潛艇制造及核廢料處理工業(yè)均是不可替代的結(jié)構(gòu)材料。

2、航空航天及軍工領(lǐng)域

鋯合金作為空間材料，可應(yīng)用于空間機(jī)構(gòu)關(guān)鍵活動(dòng)件。其具備較低的密度，可為衛(wèi)星等航天器的減重作出巨大貢獻(xiàn)，更擁有較低的熱膨脹系數(shù)，耐太空低溫、適應(yīng)交變溫度場(chǎng)、耐原子氧侵蝕、抗太空輻照等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性，這使得鋯合金在服役過程中更加可靠穩(wěn)定。太空中存在空間環(huán)境效應(yīng)，經(jīng)帶電粒子（120keV、最高注入量5×25400px-2的質(zhì)子、氮離子及氬離子）輻照后仍可靠服役；經(jīng)原子氧暴露后，提高了鋯合金表面的抗劃擦和抗腐蝕能力；在零下100℃極端低溫條件下，其強(qiáng)度得到大幅提升。“神六”上使用的抗腐蝕性、耐高的鈦產(chǎn)品，其抗腐蝕性能遠(yuǎn)不如鋯，其熔點(diǎn)1600度左右，而鋯的熔點(diǎn)則在1800度以上，二氧化鋯的熔點(diǎn)更是高達(dá)2700度以上，所以鋯作為航空航天材料，其各方面的性能大大優(yōu)越于鈦。在軍工領(lǐng)域，含鋯的裝甲材料、大炮鍛件、耐熱部件等是制造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等武器的重要材料，與此同時(shí)可減輕武器、裝備重量，極大提高作戰(zhàn)能力。

3、海洋及化工領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的不銹鋼、銅、鎳、鈦等金屬合金相比，鋯及鋯合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠抵抗大多數(shù)有機(jī)酸、無機(jī)酸、強(qiáng)堿和一些熔融鹽的腐蝕侵害。在廢水處理、食品加工、強(qiáng)酸生產(chǎn)工業(yè)中，主要應(yīng)用于耐腐蝕性能要求高的設(shè)備及構(gòu)件，如反應(yīng)釜、耐酸泵、耐熱泵、熱交換管、浸液器、耐酸葉輪、閥門、攪拌器、噴嘴和容器襯里等。美國(guó)化工企業(yè)使用的鋯設(shè)備、裝置已超過25年，仍未受到明顯的腐蝕侵害影響，轉(zhuǎn)化率高達(dá) 85%~90%，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。在深海探測(cè)過程中，鋯合金不僅可以經(jīng)受海水與海洋中砂石的沖蝕、海水腐蝕及流體摩擦磨損，還可以適應(yīng)-200~200℃的交變溫度環(huán)境，這是由于鋯的熱膨脹系數(shù)低可穩(wěn)定持續(xù)服役。

4、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

鋯具有無毒，無磁，人體親和、低彈性模量和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。傳統(tǒng)不銹鋼（含鎳鉻等有毒元素），鎳合金（20%以上的人會(huì)產(chǎn)生由鎳引起的過敏反應(yīng)）或鈦合金彈性模量較大，植入人體后會(huì)引發(fā)“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，造成人體肌肉萎縮等癥狀，而鋯合金不僅具有生物相容性，且彈性模量較低，作為口腔修復(fù)材料，骨骼植入材料，骨科修復(fù)材料及手術(shù)器械材料等已被廣泛應(yīng)用。核工業(yè)中使用的Zr-Nb合金已被作為替代骨骼植入人體，不存在碎屑剝落的現(xiàn)象，且骨溶解性低（與同為骨骼植入材料的CoCr合金相比，CoCr合金有較高的骨溶解風(fēng)險(xiǎn)），服役壽命是傳統(tǒng)植入材料的數(shù)倍。在口腔醫(yī)療方面的應(yīng)用更加廣泛，正畸修復(fù)時(shí)所使用的的矯治器，口腔種植體均大量使用鋯合金。并且在神經(jīng)外科這個(gè)極其敏感的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中都能使用鋯絲作腦外科手術(shù)的縫合材料。

5、極端特殊領(lǐng)域

鋯具有良好的吸氣性，鋯粉在電子管中廣泛用作除氣劑，在黑色冶金工業(yè)中，金屬鋯常用做煉鋼脫氣劑、添加劑，用以改善和提高產(chǎn)品的性能。鋯粉在空氣中易燃并伴隨釋放高熱量，因而可作為引爆雷管、照相閃光的引火物及無煙火藥。貯氫合金作為鋯的新用途可用作鎳氫電池的電極材料。鋯還是熱激活電池加熱片組份之一，加熱片由鋯粉、BaCrO4和無機(jī)纖維按Zr:BaCrO4:無機(jī)纖維(wt.%)=21:74:5比例混合制成，發(fā)熱量為1882.8J·g-1。鋯基非晶材料擁有超高的強(qiáng)度、耐摩擦磨損性能與高彈性，大幅超越不銹鋼、軸承鋼等傳統(tǒng)耐磨材料，已被用于制造極端環(huán)境服役設(shè)備的零部件和機(jī)構(gòu)件，如航空飛行器軸承、齒輪和卡環(huán)等。

除以上領(lǐng)域外，鋯及鋯合金還作為結(jié)構(gòu)材料、功能材料被應(yīng)用于許多特殊、極端領(lǐng)域中，處于產(chǎn)業(yè)鏈的頂端。