鋯（Zr），具備超強(qiáng)的抗腐蝕、耐高溫、耐核輻射能力，可用于核反應(yīng)堆和航空航天，堪稱材料界高富帥，金屬界的王者！

而鋯材動(dòng)輒上百萬(wàn)元一噸的價(jià)格，也讓人望而卻步。為了全面了解這個(gè)王者，今天小編整理了詳細(xì)的資料，做個(gè)詳盡的介紹，送給有緣人！

鋯與鈦、鉿同族，元素周期表中位置見下圖紅框。

化學(xué)元素周期表

*（一）應(yīng)用范圍

航空航天--ZrO2熔點(diǎn)高達(dá)2700℃，耐高溫性能強(qiáng)勁，如飛船脫落瓦；

核反應(yīng)堆--反應(yīng)堆燃料棒包殼用鋯，良好的耐核子輻射和機(jī)械性能；

核反應(yīng)堆燃料棒包殼

化工行業(yè)--如甲醇羰基化醋酸工藝裝置中的脫輕塔，脫水塔為鋯復(fù)合板設(shè)備；

新型陶瓷--氧化鋯陶瓷可用于口腔修復(fù)，生物相容性好，化學(xué)性能穩(wěn)定；

氧化鋯陶瓷

耐火材料--氧化鋯纖維是優(yōu)質(zhì)的耐火纖維材料，可作為高溫窯爐的爐襯，耐高溫，抗氧化，可在1600-2000℃以上高溫下使用。

*（二）鋯礦石

最常用的鋯礦石主要包括鋯英石（ZrSiO4）和斜英石（ZrO2），是提取鋯的最重要礦物原料。全球鋯礦主要產(chǎn)地在澳大利亞、南非和印度等國(guó)，我國(guó)鋯礦儲(chǔ)量貧乏。

鋯英砂

作為同族元素，鋯礦石中基本都含有鉿（Hf）元素，在礦石中普遍共生，分離復(fù)雜。核能級(jí)鋯，必須嚴(yán)格控制鋯中鉿（hf）元素的含量，因?yàn)殂x元素含量高，會(huì)導(dǎo)致材料抗中子輻射脆化性能差。

鋯和鉿物理性能比較

*（三）物理性能和金相組織

鋯為銀色稀有金屬，熔點(diǎn)1850℃，密度6.5g/cm3。

活性高，接觸明火時(shí)可能燃燒。

862℃為鋯材的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度，低于862℃為密集六方晶格，高溫時(shí)為體心立方晶格。

≤862℃時(shí)的鋯材晶格

因此，鋯材作為壓力容器用鋼，工作時(shí)為密集六方晶格，塑性差。所以，鋯材一般采用熱加工，可提高材料塑性和成型性能，成型溫度控制在500-600℃較好。

因?yàn)椴糠衷卦诿芘帕骄Ц裰腥芙舛鹊?，容易有脆性組織生成，鋯材不應(yīng)與鋼、鋁、銅、鎳直接熔焊。

*（四）鋯材料

鋯材分工業(yè)級(jí)鋯和核能級(jí)鋯。非核用壓力容器一般使用工業(yè)級(jí)鋯材即可，主要使用鋯材優(yōu)異的抗腐蝕性能。常見的牌號(hào)如下表格，表格右側(cè)為ASME牌號(hào)。

*（五）鋯材性能

工業(yè)級(jí)壓力加工鋯材室溫力學(xué)性能鋯（Zr-3）在各溫度時(shí)的物理性能，紅字為普通碳素鋼數(shù)據(jù)

（1）彈性模量和膨脹系數(shù)

鋯材的彈性模量E和熱膨脹系數(shù)，都約為普通碳素鋼的一半。

鋯材與普通碳素鋼相比屈服強(qiáng)度差別不大，根據(jù)σ=Eε,所以冷成型的回彈量比普通碳素鋼大得多。

鋯換熱管與鋼制管板的脹接，應(yīng)考慮溫度升高后因熱膨脹系數(shù)的差別而引起的脹接拉脫力的降低。

襯鋯容器升溫時(shí)，也因?yàn)榕蛎浵禂?shù)的差異，鋯復(fù)層所受拉伸熱應(yīng)力較大。

（2）許用應(yīng)力

NB/T47011中壓力容器用退火狀態(tài)非螺栓用鋯材許用應(yīng)力對(duì)比GB150.2中Q245R,Q345R許用應(yīng)力

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相對(duì)碳素鋼，鋯材許用應(yīng)力值隨溫度升高，衰減值較大。

*（六）鋯材設(shè)備技術(shù)要求

選材理念：比對(duì)鋯材的許用應(yīng)力知，高溫時(shí)鋯材承壓能力有限。鋯材的價(jià)格昂貴，進(jìn)口702鋯價(jià)格上百萬(wàn)/噸，國(guó)產(chǎn)也要幾十萬(wàn)元/噸。為了滿足耐腐蝕和承壓能力的同時(shí)，保證合理的經(jīng)濟(jì)性，大型鋯材設(shè)備選擇鋯復(fù)合板的居多。復(fù)層一般用Zr-1或Zr-3。

結(jié)合率：鋯復(fù)合鋼板，結(jié)合面剪切強(qiáng)度不得低于140MPa ，面積結(jié)合率A級(jí)，≥99%。若要求更高的結(jié)合質(zhì)量，可采用工業(yè)純鈦板作為復(fù)合板的中間夾層。

熱處理狀態(tài)：鋯材壓力容器使用的鋯材（板、管、鍛件等）均應(yīng)為再結(jié)晶退火狀態(tài)。

制造：防止鐵離子污染，造成電偶腐蝕。

焊后退火熱處理：溫度510-620℃，厚度≤25mm，保溫≥1h；厚度增加，保溫延長(zhǎng)。

超聲檢測(cè)：厚度超過6mm的承壓用鋯板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲監(jiān)測(cè)。板厚6-25mm，A1級(jí)合格（單個(gè)不連續(xù)孔直徑≤1.2mm）；板厚25-50mm，A級(jí)合格（單個(gè)不連續(xù)孔直徑≤2mm）。

壓力試驗(yàn)：鋯材管材應(yīng)逐根進(jìn)行液壓（氣壓）試驗(yàn)，最小試驗(yàn)壓力P=2ST/D，S為允許的纖維應(yīng)力，Zr-3和Zr-5的S值分別為前述表中屈服強(qiáng)度Rp0.2的一半，試驗(yàn)壓力P不能超過17.2MPa。

酸洗鈍化：壓力試驗(yàn)后，鋯材表面進(jìn)行酸洗鈍化處理

泄漏試驗(yàn)：復(fù)合板制容器或襯里為鋯材的壓力容器應(yīng)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)（考慮到多為強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)）。

檢漏機(jī)構(gòu)：襯鋯壓力容器的襯層與基層之間，以及鋯復(fù)合板壓力容器的覆層焊接接頭與基層間，一般應(yīng)設(shè)置檢漏結(jié)構(gòu)。

*（八）鋯設(shè)備焊接

焊接原則：主要采用氬弧焊焊接，因?yàn)殇啿挠龅窖鯕馊菀兹紵胰菀孜鼩?、吸氮，焊接時(shí)必須用高純度惰性氬氣保護(hù)。

接頭型式：鋯材復(fù)合板容器中，鐵和鋯不能互熔焊接?；鶎訛閷?duì)接焊接接頭時(shí)，復(fù)層多采用墊板與蓋板組合的襯里結(jié)構(gòu)，詳見下圖。

鋯復(fù)合板壓力容器對(duì)接接頭形式作為對(duì)比，奧氏體不銹鋼復(fù)合鋼板的對(duì)接焊接接頭鋯復(fù)合板設(shè)備內(nèi)部鋯復(fù)層焊接接頭鋯復(fù)合板設(shè)備內(nèi)部接管焊接接頭

焊縫質(zhì)量直觀判斷：根據(jù)焊縫顏色判斷。

鋯材焊縫及熱影響區(qū)表面顏色

*（九）鋯的耐腐蝕性能

鋯的電位-ph腐蝕圖

（1）在大多數(shù)酸、堿、鹽中具有優(yōu)良耐蝕性能，但在氫氟酸、濃硫酸、王水中耐腐蝕不好。

（2）鋯與鈦類似，具備極強(qiáng)的鈍化性。在強(qiáng)還原性酸如鹽酸（溫度不宜超過149℃，超過宜發(fā)生氫脆）、含鹵素離子的酸中耐腐蝕性能良好。介質(zhì)中含有FeCl3、CuCl2等氯化物會(huì)加速對(duì)鋯材的腐蝕。

鋯在各種酸中的腐蝕速度鋯在鹽酸中的等腐蝕曲線mm/a

（3）對(duì)氧、氮、氫的吸收

氧：鋯在空氣中常溫下表面就會(huì)形成鈍化層，425℃以上鈍化層疏松脫落，540℃生成白色氧化鋯，700℃氧化變脆；

氮：400℃以上與氮反應(yīng)，800℃反應(yīng)劇烈；

氫：常溫下，鋯材即可吸收氫，250℃以上吸收氫能力變強(qiáng)，易導(dǎo)致氫脆。

上述也解釋了，為何鋯材焊接必須用惰性氣體保護(hù)，隔絕空氣中的氧、氮、氫。

（4）抗點(diǎn)腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕開裂性能優(yōu)良，耐海水腐蝕性能比鈦更優(yōu)異。