Zirkoniumlegierungen sind feste Lösungen von Zirkonium oder anderen Metallen, eine verbreitete Untergruppe mit dem Handelsnamen Zircaloy. Zirkonium hat einen sehr geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen, eine hohe Härte, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit.
Warum uns wählen
Moderne Ausrüstung
Ausgestattet mit Schmelz-, Schmiede-, Stanz-, Schlitz-, Bearbeitungs- und CNC-Anlagen stellen wir Prozesse für die Endprodukte bereit.
Umfangreiche Erfahrung
Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung erreichen wir gemeinsam mit unseren Kunden Wohlstand.
Qualitätskontrolle
Von VIM bis zu den Produkten kontrollieren wir unsere Qualität vom Erz an.
Komplettlösung
Wir haben mehr als 3.000 Tonnen auf Lager und beliefern unsere Kunden umgehend.
Vorteile von Zirkoniumlegierungen
Hoher Schmelzpunkt:Zirkoniumlegierungen haben einen hohen Schmelzpunkt und können daher für die Verarbeitung und Anwendung in Umgebungen mit hohen Temperaturen genutzt werden.
Korrosionsbeständigkeit:Zirkoniumlegierungen weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und können über lange Zeit in rauen Umgebungen wie starken Säuren, starken Basen, hohen Temperaturen und hohem Druck eingesetzt werden. Daher werden sie häufig in der chemischen Industrie sowie in der Schifffahrts- und Nuklearindustrie eingesetzt.
Gute Biokompatibilität:Zirkoniumlegierungen verursachen bei Kontakt mit biologischem Gewebe keine Abstoßungen und können aufgrund ihrer guten Biokompatibilität zur Herstellung von medizinischen Geräten und künstlichen Gelenken sowie anderen medizinischen Materialien verwendet werden.
Gute mechanische Eigenschaften:Zirkoniumlegierungen verfügen über hervorragende mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, sodass sie zur Herstellung hochwertiger mechanischer Teile und Werkzeuge verwendet werden können.
Niedriger Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen:Zirkoniumlegierungen weisen einen sehr geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen auf und können daher als Kernstrukturmaterial für Kernreaktoren, beispielsweise für Brennstoffummantelungen, Druckrohre, Stents und Drosselrohre, verwendet werden.
Wofür wird Zirkoniumlegierung verwendet? Nuklear und mehr
Die Ordnungszahl von Zirkonium ist 40, mit dem Elementsymbol Zr. Zirkonium sieht aus wie ein silbernes Metall und hat eine Dichte von 6,52 g/cm3. Zr hat einen sehr kleinen Neutronenadsorptionsquerschnitt und einen relativ hohen Schmelzpunkt (1855 Grad oder 3371 Grad F), was Zirkonium zu einem großartigen Material für Kernbrennstäbe macht. In den 1990er Jahren wurden etwa 90 % des jährlich produzierten Zirkoniums von der Atomindustrie verbraucht. Da sich jedoch immer mehr Menschen mit Zr und seinen Verbindungen auskennen, wurden weitere Anwendungen gefunden.
Zirkoniumdioxid oder Zirkonia ist eine sehr wichtige Zirkoniumverbindung. ZrO2 kann als Rohstoff für technische Keramik verwendet werden, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit aufweist. Zirkonia kann auch in Form transparenter Kristalle vorliegen und ist extrem hart, wie Diamanten. Daher sind Zirkoniumelemente auch in Schmuckstücken zu finden, beispielsweise in Zirkoniumringen und Zirkoniumkronen usw.
Zirkoniummetall und Zirkoniumlegierungen haben Vorteile in speziellen chemischen Umgebungen - vor allem in Essig- und Salzsäure. Die Korrosionsbeständigkeit von Zirkonium beruht auf einem fest haftenden Oxid, das sich fast augenblicklich bildet. Daher wird Zirkonium zur Herstellung von Elektrodenkomponenten, Flanschbolzen, Rohren und Stäben für spezielle Anwendungen verwendet. Zirkoniumprodukte werden auch häufig in medizinischen Geräten wie Zirkoniumimplantaten verwendet.
Auch Materialien auf Zirkoniumbasis haben einige besondere Eigenschaften. Zirkonium wird zur Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern verwendet, und Zr-Kristallstäbe werden häufig als Rohmaterial verwendet. Zirkoniumlegierungen gelten auch als vielversprechende Materialien für kommerzielles amorphes Metall, auch metallisches Glas genannt. Im Vergleich zu herkömmlichen Metallmaterialien hat amorphes Metall keine Korngrenzen, was zu besserer Verschleißfestigkeit und Härte führt. Darüber hinaus weisen amorphe Metalle keine Korngrenzenkorrosion auf und können durch Wärme geformt werden. Um den amorphen Zustand zu erreichen, müssen die geschmolzenen Legierungen schnell abgekühlt werden. Normalerweise muss die Geschwindigkeit mehrere Millionen K/s betragen, die kürzlich entwickelten Legierungen auf Zr-Basis könnten es auf etwa 1 K/s bringen.
Aufgrund der weltweiten Nachfrage nach Kernkraftwerken wird die Nachfrage nach Zirkonium in den kommenden Jahren voraussichtlich steigen. Allerdings verfügen nur wenige große Unternehmen über die Technologie, die zur Herstellung von Zirkoniummaterialien auf Kernenergieniveau erforderlich ist, und die enormen Investitionen behindern den Markteintritt neuer Akteure. Obwohl die Kernindustrie noch immer einen großen Teil des jährlich produzierten Zirkoniums verbraucht, wurden in den letzten Jahrzehnten schnell Anwendungen in anderen Bereichen wie der Keramik entwickelt.
Reines Zirkonium ist ein glänzendes, grauweißes, starkes Übergangsmetall, das in geringerem Maße Hafnium und Titan ähnelt. Zirkonium wird hauptsächlich als feuerfestes und opakes Material verwendet, obwohl kleine Mengen aufgrund seiner starken Korrosionsbeständigkeit auch als Legierungsmittel verwendet werden. Zirkonium und seine Legierungen werden häufig als Ummantelung für Kernreaktorbrennstoffe verwendet. Mit Niob oder Zinn legiertes Zirkonium weist hervorragende Korrosionseigenschaften auf.
Die hohe Korrosionsbeständigkeit von Zirkoniumlegierungen resultiert aus der natürlichen Bildung eines dichten, stabilen Oxids auf der Oberfläche des Metalls. Dieser Film ist selbstheilend. Er wächst langsam bei Temperaturen bis zu etwa 550 Grad (1020 Grad F) und bleibt fest haften. Die gewünschte Eigenschaft dieser Legierungen ist auch ein niedriger Neutroneneinfangquerschnitt. Die Nachteile von Zirkonium sind geringe Festigkeitseigenschaften und geringe Hitzebeständigkeit, die beispielsweise durch Legieren mit Niob beseitigt werden können.
Zirkonium-Niob-Legierungen. Zirkoniumlegierungen mit Niob werden als Ummantelungen von Brennelementen der WWER- und RBMK-Reaktoren verwendet. Diese Legierungen sind das Grundmaterial des Montagekanals des RBMK-Reaktors. Die Legierung Zr + 1% Nb vom Typ N-1 E-110 wird für die Ummantelungen von Brennelementen verwendet, und die Legierung Zr + 2,5% Nb vom Typ E-125 wird für die Rohre der Montagekanäle verwendet.
Zirkonium-Zinn-Legierungen. Zirkoniumlegierungen, bei denen Zinn das grundlegende Legierungselement ist, verbessern die mechanischen Eigenschaften und sind in den USA weit verbreitet. Eine verbreitete Untergruppe trägt den Handelsnamen Zircaloy. Bei Zirkonium-Zinn-Legierungen ist die Korrosionsbeständigkeit in Wasser und Dampf verringert, sodass zusätzliche Legierungen erforderlich sind.
Das Ummantelungsmaterial für die neuen 17×17-Brennstoffdesigns basiert ebenfalls auf Zirkonium-Niob-Legierungen (z. B. optimiertes ZIRLO-Material), die nachweislich eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu früheren Brennstoffummantelungsmaterialien aufweisen. Der optimierte Zinngehalt sorgt für eine geringere Korrosionsrate, während die Vorteile der mechanischen Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen beschleunigte Korrosion durch abnormale chemische Bedingungen erhalten bleiben.
Kosten für Zirkonium
In Bezug auf die Kosten sind diese Legierungen häufig die Materialien der Wahl für Wärmetauscher und Rohrleitungssysteme in der chemischen Verarbeitungs- und Nuklearindustrie. Zirkonium ist ein Nebenprodukt des Abbaus und der Verarbeitung von Titanmineralien und des Zinnbergbaus. Während die Preise für das Mineral Zirkon von 2003 bis 2007 stetig von 360 auf 840 US-Dollar pro Tonne stiegen, sank der Preis für rohes Zirkoniummetall von 39.900 auf 22.700 US-Dollar pro Tonne. Zirkoniummetall ist viel teurer als Zirkon, da die Reduktionsprozesse kostspielig sind. Alle Kosten variieren erheblich mit einer bestimmten Reinheit.
Herstellung von Zirkonium
Aufgrund der besonderen chemischen Eigenschaften von Zirkonium erfordert die Herstellung von Zirkoniummetall spezielle Verfahren. Das meiste Zr-Metall wird aus Zirkon (ZrSiO4) hergestellt, indem Zirkoniumchlorid mit Magnesiummetall im Kroll-Verfahren reduziert wird. Das Hauptmerkmal des Kroll-Verfahrens ist die Reduktion von Zirkoniumchlorid zu metallischem Zirkonium durch Magnesium. Handelsübliches Zirkonium in nichtnuklearer Qualität enthält typischerweise 1–5 % Hafnium, dessen Neutronenabsorptionsquerschnitt 600x so groß ist wie der von Zirkonium. Für Reaktoranwendungen muss Hafnium fast vollständig entfernt werden (auf < 0,02 % der Legierung reduziert werden).
Zirkoniumlegierungen in der Nuklearindustrie
Die Brennstoffummantelung hat typischerweise einen Innenradius von rZr,2=0.408 cm und einen Außenradius von rZr,1=0.465 cm.
Die Brennstoffummantelung ist die äußere Schicht der Brennstäbe und befindet sich zwischen dem Reaktorkühlmittel und dem Kernbrennstoff (d. h. den Brennstoffpellets). Sie besteht aus korrosionsbeständigem Material mit einem geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen (~ 0,18 × 10–24 cm2), normalerweise Zirkoniumlegierung. Die Brennstoffummantelung hat typischerweise einen Innenradius von rZr,2=0,408 cm und einen Außenradius von rZr,1=0,465 cm. Im Vergleich zu den Brennstoffpellets entsteht in der Brennstoffummantelung fast keine Wärme (die Ummantelung wird durch Strahlung leicht erhitzt). Die gesamte im Brennstoff erzeugte Wärme muss durch Wärmeleitung durch die Ummantelung übertragen werden; daher ist die Innenoberfläche heißer als die Außenoberfläche.
Eine typische Zusammensetzung von Zirkoniumlegierungen in Nuklearqualität besteht zu mehr als 95 Prozent aus Zirkonium und zu weniger als 2 Prozent aus Zinn, Niob, Eisen, Chrom, Nickel und anderen Metallen, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit hinzugefügt werden. Bislang war Zircaloy 4 die am häufigsten verwendete Legierung in Druckwasserreaktoren. Derzeit wird diese jedoch durch neue Legierungen auf Zirkonium-Niob-Basis ersetzt, die eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die maximale Temperatur, bei der Zirkoniumlegierungen in wassergekühlten Reaktoren verwendet werden können, hängt von ihrer Korrosionsbeständigkeit ab. Die am häufigsten verwendeten Zirkoniumlegierungen, Zircaloy-2 und Zircaloy-4, enthalten die starken Stabilisatoren Zinn und Sauerstoff sowie die Stabilisatoren Eisen, Chrom und Nickel.
Legierungen vom Typ Zircalloy, bei denen Zinn das grundlegende Legierungselement ist, das ihre mechanischen Eigenschaften verbessert, sind weltweit weit verbreitet. Allerdings nimmt hier die Korrosionsbeständigkeit in Wasser und Dampf ab, was eine zusätzliche Legierung erforderlich macht. Die Verbesserung durch den Zusatz Niob beruht wahrscheinlich auf einem anderen Mechanismus. Die hohe Korrosionsbeständigkeit von Niob-legierten Metallen in Wasser und Dampf bei Temperaturen von 400–550 Grad beruht auf ihrer Fähigkeit zur Passivierung unter Bildung von Schutzfilmen.
Oxidation von Zirkoniumlegierungen
Die Oxidation von Zirkoniumlegierungen ist einer der am besten untersuchten Prozesse in der Nuklearindustrie. Die oxidative Reaktion von Zirkonium mit Wasser setzt Wasserstoffgas frei, das teilweise in die Legierung diffundiert und Zirkoniumhydride bildet. Die Hydride haben eine geringere Dichte und sind mechanisch schwächer als die Legierung; ihre Bildung führt zu Blasenbildung und Rissbildung in der Ummantelung – ein Phänomen, das als Wasserstoffversprödung bekannt ist. Während viele dieser Berichte die Reaktion von Brennstoff und Dampf mit Zirkoniumlegierungen im Falle eines Nuklearunfalls behandeln, gibt es dennoch eine beträchtliche Anzahl von Berichten, die sich mit der Oxidation von Zirkoniumlegierungen bei moderaten Temperaturen von etwa 800 K und darunter befassen.
Zukünftiges Potenzial und Entwicklung der Zirkoniumlegierung
Während die Industrie Grenzen für Zirkonium und Zirkoniumlegierungsprodukte erweitert, werden Zirkoniumlegierungen zu Schlüsselfiguren bei der Gestaltung der Zukunft industrieller Anwendungen. Mit ihrer außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität ebnen Zirkoniumlegierungen den Weg für bahnbrechende Innovationen in verschiedenen Sektoren.
Die laufenden Forschungs- und Entwicklungsbemühungen in der Zirkoniumlegierungstechnologie treiben Fortschritte in der Luft- und Raumfahrt, der Kernenergie und der chemischen Verarbeitungsindustrie voran. Ingenieure erforschen neue Wege, um die Festigkeit und Haltbarkeit von Zirkoniumlegierungen zu verbessern und so Türen zu noch vielfältigeren Anwendungen zu öffnen.
Neben seinen mechanischen Eigenschaften macht die Biokompatibilität von Zirkoniumlegierungen diese zu einer attraktiven Option für medizinische Implantate und Geräte. Das Potenzial für weiteres Wachstum in diesem Bereich ist vielversprechend, da Forscher immer tiefer in die Optimierung von Zirkoniumlegierungen für biomedizinische Zwecke einsteigen.
Angesichts der bevorstehenden kontinuierlichen Verbesserungen und Entdeckungen sieht die Zukunft der Zirkoniumlegierung rosig aus, da sie weiterhin industrielle Prozesse revolutioniert und Innovationen vorantreibt.
Der Einsatz von Zirkoniumlegierungen in industriellen Anwendungen bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die sie zu einem äußerst begehrten Material für verschiedene Branchen machen. Dank ihrer außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Biokompatibilität werden Zirkoniumlegierungen bei der Gestaltung der Zukunft der industriellen Fertigung und Technologie eine immer wichtigere Rolle spielen.
Da die Entwicklung und Anwendung von Zirkoniumlegierungsprodukten weiter voranschreitet, können wir in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Gesundheitswesen und der Kernenergieerzeugung mit noch mehr Innovationen und Fortschritten rechnen. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit sind Zirkoniumlegierungen eine wertvolle Ressource, um die Grenzen des Möglichen in industriellen Prozessen zu erweitern.
Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Zirkoniumlegierungen können Hersteller die Leistung steigern, die Effizienz verbessern, die Wartungskosten senken und letztlich den Erfolg in ihren jeweiligen Bereichen vorantreiben. Mit Blick auf die Zukunft ist klar, dass Zirkoniumlegierungsprodukte auch weiterhin weltweit an der Spitze modernster Industrieanwendungen stehen werden.
Zirkoniumlegierungen erfüllen die Anforderungen von Werkstoffen in der Fusion
Materialien und Design von Fusionsreaktoren
Die Kernfusion wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht, da sie saubere Energie ohne die Entstehung radioaktiver Nebenprodukte erzeugen kann. Bei der Fusion werden zwei Elemente miteinander verschmolzen, um Energie freizusetzen. Der derzeit beste Kandidat für die Fusion ist eine Deuterium-Tritium-Reaktion. Deuterium und Tritium sind zwei Wasserstoffisotope, die bei der Fusion Helium, freie Neutronen und Energie erzeugen. Derzeit werden die folgenden Fusionsreaktoren evaluiert: DEMO, STEP und ITER.
In einem Fusionsreaktor sind die Herausforderungen an die Neutroneneffizienz andere als bei Kernspaltungsreaktionen. Um die langfristige Effizienz der Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten, muss ständig Tritium nachgeliefert werden. Dies wird durch die Züchtung des Tritiums durch unelastische Neutronenstreuung erreicht. Da die Reaktionen bei erhöhten Temperaturen stattfinden und thermischem Kriechen unterliegen, werden Materialien benötigt, die bei erhöhten Temperaturen gut funktionieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Neutronenquerschnitt aufrechterhalten.
Die Auswahl von Materialien mit hervorragenden strukturellen und thermischen Eigenschaften ist für die sichere und optimale Konstruktion von Fusionsreaktorkomponenten von entscheidender Bedeutung. Ein Schlüsselelement der Fusionsreaktorkonstruktion ist die Brutdecke, die die Reaktorinstrumente vor Strahlung schützt. Brutdecken bestehen aus einer Reihe von Modulen, die das Innere des Fusionsreaktorbehälters abdecken und extremen Temperaturen und intensiven Neutronenströmen standhalten müssen. Darüber hinaus gewährleistet sie maximale Reaktoreffizienz.
Zu den Materialien, die als Kandidaten für die Konstruktion von Brutdecken untersucht wurden, gehören Vanadium, Eisen, Silizium und Chrom-basierte Legierungen und Verbundwerkstoffe. Jüngste Studien haben gezeigt, dass Zirkonium (Zr) ein vorteilhafter Kandidat ist, wenn es als Strukturmaterial in der ersten Wand einer Brutdecke in einem DEMO-ähnlichen Reaktor verwendet wird.
Vorteile von Zirkonium
Zirkonium wird bereits seit etwa 60 Jahren als Werkstoff in Kernspaltungsreaktoren verwendet. Heute werden viele Zirkoniumlegierungen als Brennstoffummantelungen und -baugruppen in Leichtwasserspaltungsreaktoren verwendet. Gängige Legierungen sind Zr-2.5, ZIRLOTM und Zircaloy-2 und -4. Der Erfolg dieser Legierungen beruht größtenteils auf dem im Vergleich zu anderen Strukturmaterialelementen geringen Wirkungsquerschnitt ihrer thermischen Neutronenabsorption.
Der Vorteil eines kleinen thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitts besteht darin, dass er eine höhere Verfügbarkeit von Neutronen ermöglicht, was die Kritikalität der Kernspaltungsreaktion aufrechterhält. Andere Materialien müssen weiter angereichert werden, was finanziell kostspielig sein kann. Da Fusionsreaktionen jedoch bei erhöhten Temperaturen stattfinden und während des Betriebs ein inhärentes thermisches Kriechen auftritt, sind die derzeitigen Zirkoniumlegierungen unzureichend.
Untersuchung aktueller Zirkoniumlegierungen und Behebung von Problemen
In der im Journal of Nuclear Materials veröffentlichten Studie untersuchten die Autoren mehrere derzeit im Handel erhältliche Zirkoniumlegierungen, darunter binäre Legierungen wie Zr-V und Zr-Si sowie höherwertige Legierungen wie Zr-Nb-Ti und Zr-Mo-Sn. Sie kamen zu dem Schluss, dass höherwertige Legierungen bei weiterer Forschung vorteilhafte thermische und strukturelle Eigenschaften (wie Festigkeit und Duktilität) aufweisen könnten, während gleichzeitig ein niedriger thermischer Neutronenquerschnitt erhalten bleibt.
Derzeit liegen jedoch unvollständige Daten zur Leistung dieser Legierungen bei den erhöhten Temperaturen vor, die während des Betriebs auftreten. In einem Fusionsreaktor können die Temperaturen leicht bis zu 500-700 oC erreichen. Von jedem Strukturmaterial aus Zirkoniumlegierungen kann man erwarten, dass es bei Verwendung in flüssigen Metallen oder heliumgekühlten Brutdecken überlegene thermische und mechanische Eigenschaften aufweist.
Bei der Untersuchung der derzeit verfügbaren Zirkoniumlegierungen kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die Verwendung von Zr-4 als Strukturmaterial für die Brutdecke die Tritium-Brutrate deutlich verbessern würde. Dies ist zwar deutlich besser als bei anderen Kandidaten wie V-4Cr-4Ti, es gibt jedoch immer noch Probleme mit der Festigkeit, der thermischen Kriechbeständigkeit und den Ermüdungseigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Darüber hinaus können Verunreinigungen zu Versprödungsproblemen führen, was den Bedarf an Barrierebeschichtungen erhöht.
Unsere Fabrik
Baoji West Titanium Materials Co., Ltd (West-Ti) mit Sitz in Baoji, Provinz Shaanxi, bekannt als Chinas Titantal, wurde 2019 mit einem eingetragenen Kapital von 60 Millionen Yuan gegründet. Das Unternehmen wurde mit Baoji Hongyuan Titanium Industry Co., Ltd. und Baoji Overflow Industrial Co., Ltd. fusioniert. Beide Unternehmen verfügen über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Titanindustrie. Im Jahr 2019 umfasst das gemeinsam gegründete Geschäft von Baoji West Titanium Materials Co., Ltd. die Verarbeitung und den Verkauf von seltenen Metallen wie Titanspulen, -platten, -stangen, -drähten und Titanschmiedeteilen.
Häufig gestellte Fragen
Als einer der professionellsten Hersteller und Lieferanten von Zirkoniumlegierungen in China zeichnen wir uns durch hochwertige Produkte und wettbewerbsfähige Preise aus. Kaufen Sie hier Zirkoniumlegierungen zum Verkauf und lassen Sie sich von unserer Fabrik ein Angebot machen. Kontaktieren Sie uns für einen individuellen Service.
Titan -Motorradschrauben, Alpha Beta Titan, Titanrunde Rute