由于鋯合金較高的熔點（1400~1800℃），高溫凝固后的組織將非常粗大且很不均勻，這樣就會導致合金力學性能的急劇惡化。因此，需要通過后續變形再結晶和多種熱處理工藝以調整組織形態并獲取優異的綜合力學性能。組織超細化可以有效提高合金強度，而組織等軸化則能夠使合金具有良好的塑性。因此，超細化和組織等軸化是組織優化的核心。新型鋯合金也繼承了傳統鈦合金的熱變形及熱處理手段（如鍛造、熱軋、退火、固溶時效等）來優化合金的顯微組織。

科研工作者最近開發出了一種新型的鋯合金復合變形熱處理工藝［47］，即亞穩β／α″馬氏體相中低溫大塑性變形結合長時間低溫時效復合工藝。圖1所示為通過復合優化技術所獲取的等軸及雙態鋯合金組織。通過組織優化的新型高強韌鋯合金強度可達到1500~1700MPa，并且具有5%~12%的塑性。

如圖2所示，ZrTiAlV合金在經過復合優化技術處理之后，其可在保證一定塑性的前提下抗拉強度可達1600MPa。而經過650℃時效處理之后的ZrTiAlV合金抗拉強度達到1400MPa以上，且延伸率大于12%［49］。新型高強韌鋯合金的開發打破了傳統鋯合金在力學性能方面的限制，極大地擴大了鋯合金的應用范圍。

2.2 新型高強韌鋯合金的強化機理

2.2.1 固溶強化

在Zr基體中固溶度較高的有Ti、Al、V、Nb等合金化元素。溶質原子與Zr原子之間的尺寸差會導致Zr基體晶格發生畸變，從而產生固溶強化。此外，添加的合金化元素越多，會導致合金整體的晶格畸變量增加，原子之間的相互作用力隨之增強，鋯合金的固溶強化效果越明顯。圖3所示為添加不同Al含量后ZrAl合金的XRD譜圖，可以觀察到α相的衍射峰逐漸向高角度方向偏移。Al的原子半徑（0.143nm）小于Zr的原子半徑（0.162nm），Al原子固溶進Zr基體后，促使α相的晶格參數a值逐漸減小，而c/a值逐漸增大，從而引發Zr基體的晶格畸變隨Al含量的增加而增大，固溶強化的效果逐漸增強。

2.2.2 第二相強化

B、Be、Cr、C等合金元素在Zr基體中的固溶度較低，主要以第二相的形式存在，進而對合金產生第二相強化。梁順星等［50］通過向Zr合金中添加C元素形成化合物來提升合金的表面硬度并達到了較理想的效果。此外，當溶質原子（如Al、V等）的添加量低于β相的固溶度而高于α相的固溶度時，通過固溶處理可以使Zr合金獲取過飽和的高溫相

固溶體，而在隨后的低溫時效處理過程中則會析出化合物發生第二相強化。一般情況下，利用固溶＋時效方法獲取的化合物能夠均勻地分布在合金基體中，對Zr合金強度的提升有較大的貢獻。

2.2.3 細晶強化

添加合金元素（如B、Be、Cr和Ti等）或通過合適的熱變形及熱處理手段都可使Zr合金的組織得到細化，進而產生細晶強化作用。圖4為純Zr及添加質量分數1.0%的Be元素后Zr合金的顯微組織圖片［35］。添加Be元素之后合金的顯微組織得到明顯的細化，原因為低固溶度的合金元素能夠促進基體在凝固過程中的形核。此外，景然等［51］證實了降低退火溫度可使Zr合金中α相板條寬度逐漸降低，從而增加合金的強度及硬度。

2.3 新型高強韌鋯合金的應用

2.3.1 核電、化工等領域

新開發的鋯合金同時具有高強韌性、耐輻照和耐腐蝕的優異性能，其抗腐蝕能力明顯優于目前化工行業中常用的合金材料（如不銹鋼和Ti6Al4V等）［52］，并已成功推廣應用于含重金屬離子廢水、核工業企業廢水、廢甲醇回收利用、有機廢氣凈化、電子產品生產工業廢水等處理裝置中，替代目前常用的合金材料制作了管道閥門、反應器、傳動構件等數十種產品（如圖5所示），原材料與加工成本雖然略有增加，但使用壽命提高了約3~5倍，有的甚至達到10倍以上。

2.3.2 航空航天業

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1/2，確保了活動機構件的高精度運行?？傊诳臻g帶電粒子輻照、空間原子氧侵蝕、低溫等耦合作用下，該高強韌鋯合金構件仍可以進行可靠服役。目前已經制備出一系列空間機構關鍵活動構件，既拓寬了鋯合金的應用范圍，又突破了空間活動機構的選材局限性。圖6為鋯合金在某空間操作機構中的角形滑道器，該部件的使用不僅能使活動構件整體質量降低16%，而且還提升了機構整體的精度。

3、結語

根據現有的研究，鋯合金已經廣泛應用于國民經濟、國防建設的許多領域，特別是在核工業和化工生產中具有十分重要的用途。然而，由于鋯合金較差的力學性能，造成其應用范圍較窄，應用效果還不深入。目前在高強韌鋯合金方面的研究還處于發展階段，但高強韌鋯合金已經表現出優異的綜合性能和巨大的應用潛力。因此，科研工作者應進一步加強高強韌鋯合金技術研究并強化其應用，這對加快我國工業化發展過程具有重要意義。

3、結語

根據現有的研究，鋯合金已經廣泛應用于國民經濟、國防建設的許多領域，特別是在核工業和化工生產中具有十分重要的用途。然而，由于鋯合金較差的力學性能，造成其應用范圍較窄，應用效果還不深入。目前在高強韌鋯合金方面的研究還處于發展階段，但高強韌鋯合金已經表現出優異的綜合性能和巨大的應用潛力。因此，科研工作者應進一步加強高強韌鋯合金技術研究并強化其應用，這對加快我國工業化發展過程具有重要意義。

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