锆是一种活性金属，和钛、铪同属于IVB族元素，密度为6.49g/cm³,熔点为1852°C，沸点高达4377°C，对氧有很高的结合力，在室温空气中锆就能形成一层极度致密的氧化膜，这层氧化膜使得锆及其合金拥有良好的抗侵蚀机能。因而，锆合金宽泛利用于化工设备造作[1-5]，如反映釜、耐酸耐热泵、热互换器、浸液器、阀门、搅拌器、喷嘴、导管和容器衬里等。另表，锆的热中子吸收截面低，只有（0.18±0.02)b(1 b=10^-28 atom),可能很好的遮挡反映堆中的中子，即便将锆合金置于反映堆进行辐照后，也只会产生较低的放射性，对核燃料有优良的相容性。由于凸起的核机能，锆合金适合作为原子反映堆内部的结构资料，因而常被用作水冷动力堆的包壳资料和堆芯结构资料，如燃料元件包壳管、节造棒导向管、堆芯容器、元件格架、热互换器以及压力管等[6-9]。

1、国内锆合金及其铸件钻研近况及利用

国内锆棒、锆锻件等锆合金商标中，奇数合金商标Zr-l、Zr-3、Zr-5,用于通常工业；偶数商标Zr-0、Zr-2、Zr-4,用于核工业，详情拜见GB/T26314-2010《锆贾合金商标和化学成分》[10]。由表1可知，核级锆贾合金中不能含有铪(Hf)元素；另表，对资猜中的杂质元素要求的更为严格。这是由于铪的热中子吸收截面很高，为104b,是锆的520?650倍，所以必须将铪断根干净，不然将严沉影响资料的核机能。核级的锆材必须极度纯净，冶炼时除了要把铪元素断根干净表，还要把其他易于吸收中子的元素断根干净，因而对杂质元素的要求更为严格由于锆与铪的表层电子结构一样，加上受到镧系收缩效应的影响，锆与铪的理化性质很类似，所以矿物形成时常伴生在一路[2],用通常步骤很难将其分离。我国也是近年来才把握了锆与铪的分离技术，国核锆业等公司具备了出产核级海绵锆的能力，而锆中含有少量迪膻并不会影响其力学机能和耐侵蚀机能[M1。因而为了节约成本，用于通常工业的锆合金允许含有少量迪膻元素，其含量专4.5%。

表1右侧是我国锆合金商标对应或相当于ASTM尺度中的商标，除此之表ASTM尺度中还有效于工业级此外商标UNSR60703、UNSR60704、UNSR60706，用于核工业的商标UNSR60901和UNSR60904。由此可知，美标的锆合金种类越发丰硕，发展的汗青也悠久。对于锆合金铸件的出产，国表蓬勃国度在20世纪50年代已经形成贸易化，具备了肯定的规模，20世纪90年代美国的OremetWahChang公司就成功出产了沉量达1000kg的锆合金铸件[12]。而我国在1998年之前仍没有贸易化的铸造锆合金。近年来我国一些企业，如西安泵阀总厂、沈阳北方钛业、洛阳精铸钛业等公司已经具备出产锆合金铸件的能力，然而整体铸造技术水平与国表还有肯定差距。目前，我国核设备使用的锆合金铸件齐全依赖于进口，而我国出产的锆合金铸件重要利用于化学工业领域。国表非核设备使用最宽泛的铸造锆合金为ASTMB752中的702C和705C两个商标，国内铸造锆合金参考美国ASTM尺度，并借鉴GB/T26314-2010《锆贾合金商标和化学成分》的定名方式，将这两种铸造锆合金别离定名为ZZr-3和ZZr-5,详情拜见YS/T853-2012《锆贾合金铸件》[|3]。表2为ZZr-3和ZZr-5铸件铸态室温力学机能。

2、锆合金铸造工艺

锆贾合金固然在常温下很不变，但是在高温下却很活跃，能够与好多物质产生反映；同时，锆在高温下拥有很强的吸气能力，因而锆合金无论是熔炼还是浇注都必须在真空或惰性气体（如氩气、氦气）中进行。目前，锆合金铸件出产中普遍选取的技术为真空自耗电极电弧凝壳熔炼技术和真空感应凝壳熔炼技术。另表，作为比钛更活跃的金属元素，锆合金在高温下能够与大无数的耐火资料产生界面反映，因而要选择相宜的铸型资料和面层资料。凭据造型工艺的分歧，锆合金铸造可细分为熔模铸造、砂型铸造和硬模铸造3种类型。

2.1熔模铸造

锆合金熔模铸造与通常有色金属的熔模铸造类似，重要差距在于：一是选取铸模资料分歧，锆合金熔模铸造要求铸型面层资料与锆熔体反映性低；二是石蜡灰分要严格节造；三是锆熔体的流动性差，铸件容易产生缩孔和气孔缺点。备选的铸型面层资料有石墨、难熔金属、难溶解合物和氧化物。

作为面层的石墨必须高度石墨化，其含碳量要大于99%，而灰分不超过0.5%。石墨拥有热化学不变性和耐火度高、强度高、热膨胀系数低等特点，但由于其热导率高，容易产生激冷，易使铸件表表产生微裂纹、冷隔和流痕等缺点。在砂型铸造中，以石墨粉的大局使用；在硬模铸造中，以石墨块的大局使用；在熔模铸造中，通常不使用石墨作为面层资料。难熔金属钨、钼、铌、钽等金属熔点高，与锆合金熔体接触时不变性好[M]，但是其在空气中容易被氧化，所以整个烧结过程必必要在还原性气体或；ば云逯薪。目前利用于出产面层资料的难熔金属只有钨。选取钨粉混以粘结剂，在氢气中进行烧结，用于浇注锆合金％|6!。此种型壳强度很高、收缩幼,但是导热率高，铸件表表很容易产生冷隔和裂纹缺点，并且出产成本较高。

难溶解合物重要蕴含碳化物（TaC、ZrC、TiC等）、硼化物（Hffi2、TaB2、W2B5等）、氮化物（BN、ZrN、TiN等）。其大部门种类都必要人为合成，而天然界天然存在的化合物也必要分离和提纯，因而其成本极度高，只在尝试室钻研中使用。

氧化物作为锆贾合金铸型资料拥有很大的优势。一方面，由于其保温机能较好，能够降低熔融锆合金的冷却速度，有利于锆合金熔体更好的充型；另一方面，在铸型烧结过程中不会被氧化，不必要真空或；ば钥掌，也不容易吸附气体。工业上常用的氧化物陶瓷资料有好多种类，但大无数都不适于用作锆合金这类活跃金属的铸型面层资料。目侵合金出产中使用最多的铸型面层资料是Y₂O₃和ZrO₂[17]。

王铁等[|8]公开了一种锆贾合金铸件熔模铸造工艺步骤的专利（CN101590511A),选取熔模陶瓷型壳铸造和热等静压步骤出产锆贾合金泵、阀精密铸件，型壳面层资料使用的是氧化物Y₂O₃或ZrO₂，使用此步骤能够获得铸件尺寸精度矣±0.1%,无裂纹和同化，无陆续散布的疏松和气孔的锆贾合金铸件。

熔模铸造的特点是铸件表表质量高，铸件尺寸精度高，适合于复杂薄壁铸件，能够铸造状态复杂、难以分型的铸件，其最幼壁厚可达0.3最幼孔径0.5mm，但造作工艺较为复杂，造作涂层的厚杜仔限，不合用于大型锆贾合金铸件的浇注。铸件质量通常不超过25kg,重要用于实现少切削或无切削铸件，如用于造作汽轮机、燃气轮机和蜗轮发起机的叶片、叶轮及其它幼零件。

2.2砂型铸造

锆合金砂型铸造工艺流程与通例的砂型铸造工艺流程类似，但是也有分歧的处所。对于锆合金砂型铸造，在造型和造芯实现之后，要在型壳和型芯表表涂覆一层氧化物面层涂料来预防锆合金熔体与型壳资料产生反映，以得到质量较好的锆合金铸件。另表，与钛脊合金铸造一样，铸型必要高温煅烧，其重要主张是使粘结剂在高温下进行分化，提前开释出气体，这样能够有效的降低锆铸件产生气孔的概率。

黄湘云等?公开了一种锆贾合金铸件砂型铸造工艺步骤的专利（CN102921885A),其工艺流程为：型砂配造?造型—烘焙形成铸型—耐火涂料(面层资料）配造—耐火涂层（面层资料）喷涂—高温锻烧—熔炼浇注。型砂的重要成分是铝矾土和硅酸粉，而面层资料的重要成分为Y₂O_3、ZrO₂或钨粉。使用此种步骤可能出产出各类尺寸的锆合金铸件，铸件表表无冷隔、流痕、裂纹等缺点，铸件内部无缩孔、同化。锆合金砂型铸造是以砂型做
？腔，在砂型表表喷涂面层资料的工艺步骤造作铸型。选取该步骤可能造作出强度高的砂型，合用于浇注大、钟注幼尺寸的锆贾合金铸件。砂型导热慢，与石墨相比可有效降低铸型激冷作用，提高液态金属的充型能力，有效降低表表出现冷隔、流痕等缺点几率。但是铸件的尺寸精度不如熔模铸造和硬模铸造。此种步骤在现实出产中使用并不多。

2.3硬模铸造

凭据选取铸型资料分歧，硬模铸造能够分为金属型铸造和石墨型铸造两种。

金属型铸型常用的资料有灰铸铁、铸钢、铸铜。固然这些金属的熔点都低于锆贾合金的熔点，但它们均能用作铸造锆贾合金的铸型资料。原因是：这些铸型资料导热率都比锆高好多，锆熔体浇进铸型后产生的热量迅速被传走；另表，锆的热导率低，锆液浇人铸型后，在型面上立即凝固形成一层薄壳，从而有效的减轻对铸型的热作用。由于金属型铸型资料热膨胀系数高，熔点较低，它只能用于造作铸件的表铸型而不宜用作型芯。另表，金属型铸型的造价较高并且使用寿命短，所以在锆合金铸件出产中使用并不多[20]。

在现实出产中使用较多的硬模铸型是机加工石墨型；庸な褂玫氖笫歉叽慷龋99.0%)、齐全石墨化的人造石墨电极块。石墨型加工单一方便，强度高，厚度可凭据设计必要造作。但是，石墨型导热快，对锆熔体有激冷作用，在铸件表表容易形成冷隔和流痕等缺点；尤其是大型铸件，由于充型功夫长、液态金属温度降低好多，表表冷隔和流痕出现的几率更大。另表，由于铸型表表加工粗糙，造成铸件必须留较大的加工余量导致资料浪费。由于锆熔体直接与石墨接触，铸件表表沾污层厚度比熔模铸造要大。

为相识决硬模铸型表表激冷和沾污层的问题，黄湘云等[21]公开了一种选取机加工石墨铸型表表刷涂氧化物陶瓷层进行锆贾合金大型铸件出产的专利（CN101947648A)^该步骤蕴含以下工艺步骤：造备石墨铸型、配置陶瓷层涂料（重要成分电熔Y₂O₃粉末和钇溶胶）、型芯表表涂刷涂料、固化和真空除气、在真空自耗电极凝壳炉中熔炼浇注。此种步骤合用于锆贾合金铸造，出格合用于出产铸件沉量超过500kg的大型铸件；用该步骤出产的铸件表表无冷隔，光洁度高，铸件沾污层厚度幼。谢华生等[22]公开了一种选取金属铸型的型腔内刷涂陶瓷层进行锆贾合金铸造出产的专利（CN103317114A)，其工艺流程与黄湘云颁布的工艺流程类似，只是铸型资料是金属型的，另表陶瓷层的重要成分是Y₂O₃或ZrO₂粉末中的一种，粘结剂是醋酸锆。以上两件专利都将硬模铸造和熔模铸造的利益结合了起来，既提高了铸件表表质量又简化了工艺流程，降低了出产成本。但若何使陶瓷层（面层）不变且陆续的涂覆于石墨或金属铸型表表是能否成功执行此步骤的关键。

3、选取数值仿照的伎俩优化铸造工艺

美国科学钻研院工程技术委员会指出[23]，推算机仿照仿真技术能够将铸件产品质量提高5?15倍，将产品合格率增长25%,将出产成本降低13%?30%,将人力成本降低5%?20%，并能增长设备利用率30?60%，有效的缩短产品设计和试造周期30%?60%。使用数值仿照的步骤，对锆合金铸造过程进行分析，并进一步优化试验和出产的工艺参数，从而削减和预防浇不及、缩松、缩孔及裂纹等缺点的出现，能够提高铸件的质量，节约成本，并能够有效的缩短研造周期。

姚谦等网选取PROCAST软件对锆合金阀体铸件的充型和凝固过程进行了仿照分析，别离对单型离心浇注、多型离心浇注、多型沉力浇注等结构的阀体的充型和凝固过程进行了仿照。凭据仿照分析了局并参考现实出产经验，最终拔取了多型离心浇注的结构，并设置优化了铸造工艺参数，最终选取熔模铸造工艺步骤成功铸造出合格的铸件,并通过了静水压试验和三维扫描丈量。

4、结语和瞻望

我国锆合金商标较国表蓬勃国度较少,锆合金铸件出产水平与蓬勃国度还有一些差距，出产的铸件重要利用于化学工业领域。

锆合金铸件能够选取熔模铸造、砂型铸造、硬模铸造的步骤进行出产，其中熔模铸造和硬模铸造在出产中宽泛利用。通常来说，中幼型铸件选取熔模铸造较多；大型铸件则选取硬模铸造，并且通常是机加工石墨型。选取数值仿照的伎俩优化铸造工艺，对于降低出产成本、提高铸件质量，是一种比力有远景的技术。

未来我国锆合金铸件发展的方向一是进人核工业领域，二是降低锆合金铸件的出产成本，以扩大其在通常工业中的利用领域。

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