引言

鋯及鋯合金具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、膨脹系數(shù)小、熱中子吸收截面小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，是核反應(yīng)堆的重要結(jié)構(gòu)材料，在核工業(yè)中得到大量應(yīng)用。近年來(lái)，鋯棒、鋯管等鋯及鋯合金逐步進(jìn)入化學(xué)工業(yè)，作為設(shè)備關(guān)鍵部位的重要材料，在一些腐蝕條件較為苛刻的場(chǎng)合得到應(yīng)用[2]。

在鋯及鋯合金設(shè)備的加工制造過(guò)程中，焊接成為必不可少的關(guān)鍵工藝及技術(shù)。目前。鋯及鋯合金常用的焊接方法主要有：鎢極氬弧焊、等離子弧焊和電子束焊[3]。優(yōu)良的焊接性能對(duì)設(shè)備的使用壽命和可靠性至關(guān)重要[2-9]以下在分析鋯及鋯合金焊接特性的基礎(chǔ)上，綜述了鋯及鋯合金焊接工藝、接頭力學(xué)性能、殘余應(yīng)力分布、耐蝕性能和腐蝕機(jī)理等方面的研究現(xiàn)狀．并展望了鋯及鋯合金在核工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的應(yīng)用前景

1、鋯及鋯合金的焊接特性

鋯及鋯合金的液態(tài)金屬流動(dòng)性好、裂紋敏感性低、彈性模量小、焊后變形小、殘余應(yīng)力小，因此具有良好的焊接性能。但其高溫化學(xué)活性較好，焊接過(guò)程中易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發(fā)生反應(yīng)：315℃強(qiáng)烈吸氫；400℃強(qiáng)烈吸氧，生成ZrO2；800℃以上強(qiáng)烈吸氮，生成脆性化合物ZrN。其中，氧對(duì)材料的塑性和韌性影響較大，氮對(duì)材料的耐蝕性影響較大。當(dāng)鋯及鋯合金吸收了一定量的氮、氫、氧等氣體雜質(zhì)后，其力學(xué)性能及抗腐蝕性能急劇降低[4-5]。因此，在焊接鋯及鋯合金板材、管材時(shí)，對(duì)焊接工藝有嚴(yán)格要求。確定合理的工藝參數(shù)，選擇清潔的操作環(huán)境．加強(qiáng)焊縫及熱影響區(qū)的隔離保護(hù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

2、鋯及鋯合金焊接接頭性能研究

目前，對(duì)于焊接接頭性能的研究，主要集中于抗拉強(qiáng)度、硬度、彎曲強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、耐蝕性能及腐蝕機(jī)理等，按ASMEIX標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)焊接接頭質(zhì)量。

2.1力學(xué)性能

大多數(shù)研究者采用氬弧焊對(duì)鋯材進(jìn)行焊接，選擇合適的焊槍噴嘴直徑、電弧電壓、焊接電流等工藝參數(shù)。焊后測(cè)定焊接接頭彎曲、抗拉強(qiáng)度和硬度。獲得力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)[10-15]。且抗拉強(qiáng)度顯著提高．主要原因是采取了嚴(yán)格的保護(hù)措施，高質(zhì)量的清理，較小的熱輸入及在焊接過(guò)程中整個(gè)焊道和熱影響區(qū)都處于保護(hù)氣體的保護(hù)之中王慧智[10]等人將焊槍與保護(hù)拖罩分離，拖罩和焊件嚴(yán)密貼合：焊后抗拉強(qiáng)度達(dá)到482.5MPa．硬度以焊縫與母材的硬度值相差不超過(guò)HV30為合格，實(shí)測(cè)值均滿(mǎn)足要求此研究結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果一致。高振杰[12]選用φ(Ar)99.9％的純氬為保護(hù)氣體，焊縫外觀、質(zhì)量均合格，接頭抗拉強(qiáng)度高達(dá)496MPa。李為衛(wèi)[13]等人采用一種新型的在線(xiàn)強(qiáng)制冷卻和保護(hù)裝置對(duì)Zr-2管進(jìn)行焊接，強(qiáng)制冷卻裝置如圖1所示獲得接頭的抗拉強(qiáng)度均大于母材的抗拉強(qiáng)度(450MPa)，拉伸斷口位于母材處：接頭彎曲180~后受拉面完好，具有良好的塑性和致密性：接頭表面和橫截面上不同區(qū)域(母材、焊縫和熱影響區(qū))的硬度分布結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)．說(shuō)明焊縫及熱影響區(qū)沒(méi)有受到污染而導(dǎo)致的硬化和脆化現(xiàn)象。因此，增強(qiáng)保護(hù)和冷卻效果，對(duì)接頭力學(xué)性能有很大貢獻(xiàn)。

田鋒[H]等人對(duì)Zr-Sn-Nb-Fe-Cr電子束焊接接頭拉伸性能進(jìn)行了研究．試樣在室溫和350℃的拉伸性能都略低于母材，性能可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用。焊后拉伸性能下降，是因?yàn)楹负笕蹍^(qū)及熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大所致高振宇[15]等人采用等離子弧焊打底+手工氬弧焊蓋面的焊接工藝分別對(duì)10mm和12.7mm這2種規(guī)格的板材進(jìn)行焊接，接頭抗拉強(qiáng)度分別為529540MPa和533535MPa，破壞位置均在焊縫，合格；彎曲均合格。對(duì)比上述3種焊接方法可見(jiàn)，對(duì)鋯及鋯合金采用氬弧焊獲得接頭力學(xué)性能較電子束焊和等離子弧焊的好

2.2殘余應(yīng)力

金屬材料在傳統(tǒng)的熔化焊接過(guò)程中，高度集中的瞬時(shí)熱輸入和隨后的快速冷卻，必然會(huì)使焊件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。即使是能量集中，焊接速度快的焊接法仍存在焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在可能造成材料脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破壞及降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等[16-17]。

目前，測(cè)定殘余應(yīng)力的方法主要包括：取條法、切槽法、剝層法、鉆孑L法、射線(xiàn)衍射法、超聲法和磁性法

DGCarr[8-9]等人利用中子衍射法對(duì)Zr-4氬弧焊焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。由于焊件中殘余應(yīng)力的不良影響．應(yīng)對(duì)其消除，主要消除方法有熱處理法、拉伸法、振動(dòng)法和爆炸法等[18]。DGCaIT等人采用熱處理法消除Zr-4接頭殘余應(yīng)力，具體工藝：從室溫以400℃／h的速率加熱至200℃．然后以50℃／h的速率從200℃加熱至475℃。在475℃保溫30min，最后隨爐冷卻。如圖2所示，經(jīng)熱處理后殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生變化．但縱向應(yīng)力的平均值由(220+40)MPa減小到(140±40)MPa，減小了40％。除焊縫區(qū)之外的其他區(qū)域獲得了平衡壓應(yīng)力：橫向應(yīng)力從(60±40)MPa減小至(30±40)MPa：法向應(yīng)力平衡應(yīng)力在-20MPa附近。

2.3耐蝕性能及腐蝕機(jī)理

目前．鋯及鋯合金焊接接頭耐蝕性能研究方法主要有電化學(xué)法、掛片失重法和高壓釜腐蝕試驗(yàn)法、但掛片失重法測(cè)試所需試驗(yàn)周期長(zhǎng)。使用較少。

陳鶴鳴Il9]等人研究了純鋯氬弧焊焊接接頭在25℃，體積分?jǐn)?shù)為0.2％的硫酸溶液中的耐蝕性能，采用電化學(xué)法進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)前對(duì)硫酸溶液進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充氮除氧，且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)通氮。測(cè)定了母材、焊縫和熱影響區(qū)在25℃，φ(H2SO4)20％溶液中陽(yáng)極極化曲線(xiàn)、尺極化阻力值及電偶腐蝕。結(jié)果表明，熱影響區(qū)腐蝕速度最大，焊縫次之，母材最耐蝕。左小濤研究了接頭在不同濃度醋酸和硝酸中的耐蝕性，研究結(jié)果與文獻(xiàn)[19]研究結(jié)果一致。

周邦新等人研究了Zr-4合金電子束焊接接頭耐蝕性，接頭耐蝕性較差，主要原因是熔區(qū)Fe，Sn和Cr合金元素的揮發(fā)損耗彭海青[21]等人采用高壓釜腐蝕試驗(yàn)法，研究了Zr-4電子束焊接接頭耐蝕性能和腐蝕機(jī)理，其認(rèn)為造成接頭耐蝕性降低原因除了合金元素的揮發(fā)外，還有一個(gè)原因是焊接過(guò)程中的污染。污染可通過(guò)焊前適當(dāng)處理解決，針對(duì)合金元素的揮發(fā)問(wèn)題．周邦新提出了補(bǔ)償法和熱處理法，采用Zr-4合金板與合金成分高于Zr-4合金板對(duì)接焊，熔區(qū)耐蝕性明顯得到改善：在鋯合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4％～0.5％的Nb，明顯改善焊縫的耐蝕性：對(duì)焊后接頭進(jìn)行500～600℃退火處理．可使由于添加Nb元素后形成的亞穩(wěn)相β-Zr分解為耐蝕性更高的穩(wěn)定相α-Zr+β-Nb，以獲得耐蝕性更高的接頭組織。

Zr-4焊接接頭在高溫高壓下水蒸汽中腐蝕機(jī)理可以分為兩個(gè)階段[21]。在腐蝕初始階段，膜的生長(zhǎng)速度與其厚度成反比，通常用拋物線(xiàn)方程式表示：

?m=ct^0.5，(1)

式中：?m 為質(zhì)量增量；C為常數(shù)；t為時(shí)間。

此時(shí)的氧化膜附著力好，呈黑色．有光澤且平，這種氧化膜具有較好的抗腐蝕性能當(dāng)膜厚度達(dá)到3μm時(shí)，腐蝕機(jī)理出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)為線(xiàn)性定律的動(dòng)力學(xué)，這種情況下的方程式為：

?m=ct。(2)

這樣的氧化膜進(jìn)一步腐蝕時(shí)．逐漸出現(xiàn)灰白色腐蝕產(chǎn)物．氧化膜增厚較快。一般地說(shuō)，經(jīng)過(guò)72h的水蒸汽腐蝕后，如果膜厚度小于3m，即氧化膜為黑色氧化膜，那么，即使再經(jīng)27d的腐蝕，也不會(huì)出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物。

目前，關(guān)于工業(yè)級(jí)鋯及鋯合金焊接接頭腐蝕行為和機(jī)理的研究還有待加強(qiáng)。從工業(yè)應(yīng)用的角度來(lái)講．應(yīng)將電化學(xué)快速腐蝕試驗(yàn)方法和慢速掛片腐蝕試驗(yàn)方法相結(jié)合．模擬多耦合場(chǎng)下的工況條件。為鋯及鋯合金工程應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。從科學(xué)研究的角度來(lái)講．應(yīng)加強(qiáng)鋯及鋯合金焊縫鈍化行為、表面氧化膜破壞機(jī)理、氮元素對(duì)材料腐蝕破壞機(jī)理等方面的研究。

3、展望

鋯及鋯合金在大多數(shù)酸、強(qiáng)堿和一些熔融鹽中都具有優(yōu)異的耐蝕性，特別適合制造腐蝕嚴(yán)重的關(guān)鍵化工設(shè)備，可以很好地解決化工設(shè)備腐蝕問(wèn)題[22]。目前化工裝置中的強(qiáng)腐蝕設(shè)備正越來(lái)越多地使用工業(yè)級(jí)鋯材醋酸制造業(yè)是工業(yè)級(jí)鋯材在化工行業(yè)中應(yīng)用的第一大市場(chǎng)。尤其醋酸行業(yè)正面臨重新洗牌，降低醋酸行業(yè)的生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率是當(dāng)務(wù)之急鋯材在醋酸行業(yè)中的應(yīng)用可大大提高設(shè)備使用壽命和可靠性。進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。寶雞鈦業(yè)集團(tuán)有限公司是我國(guó)鋯材生產(chǎn)、研發(fā)的龍頭企業(yè)，已經(jīng)建立了一條完整的工業(yè)級(jí)鋯材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)鋯材國(guó)產(chǎn)化，填補(bǔ)了我國(guó)有色金屬工業(yè)空白。這些都為鋯材在化工行業(yè)廣泛應(yīng)用提供了有利條件．鋯材焊接在我國(guó)核工業(yè)和化學(xué)工業(yè)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：海敏娜

(1987一)，女，陜西寶雞人，西安建筑科技大學(xué)在校研究生。