Zirkoniumlegeringen zijn vaste oplossingen van zirkonium of andere metalen, een veelvoorkomende subgroep met het handelsmerk Zircaloy. Zirkonium heeft een zeer lage absorptiedoorsnede van thermische neutronen, hoge hardheid, ductiliteit en corrosiebestendigheid.
Waarom voor ons kiezen
Geavanceerde apparatuur
Met de beschikking over smelten, smeden, stampen, snijden, bewerken en CNC-bewerkingsapparatuur verzorgen wij processen voor de eindproducten.
Rijke ervaring
Met meer dan 20 jaar ervaring realiseren wij samen met onze klanten welvaart.
Kwaliteitscontrole
Van VIM tot producten: wij controleren de kwaliteit van de ertsen.
One-stop-oplossing
Wij hebben meer dan 3.000 ton op voorraad en leveren snel aan onze klanten.
Voordelen van zirkoniumlegeringen
Hoog smeltpunt:Zirkoniumlegeringen hebben een hoog smeltpunt, waardoor ze geschikt zijn voor verwerking en toepassing in omgevingen met hoge temperaturen.
Corrosieweerstand:Zirkoniumlegeringen hebben een uitstekende corrosiebestendigheid en kunnen langdurig worden gebruikt in zware omstandigheden, zoals sterke zuren, sterke basen, hoge temperaturen en hoge druk. Daarom worden ze veel gebruikt in de chemische industrie, de scheepvaart en de nucleaire industrie.
Goede biocompatibiliteit:Zirkoniumlegeringen veroorzaken geen afstoting bij contact met biologisch weefsel en kunnen worden gebruikt bij de productie van medische hulpmiddelen, kunstmatige gewrichten en andere medische materialen, met een goede biocompatibiliteit.
Goede mechanische eigenschappen:Zirkoniumlegeringen hebben uitstekende mechanische eigenschappen, zoals een hoge sterkte, hoge hardheid, hoge taaiheid en hoge slijtvastheid, waardoor ze gebruikt kunnen worden voor de productie van hoogwaardige mechanische onderdelen en gereedschappen.
Lage thermische neutronenabsorptiedoorsnede:Zirkoniumlegeringen hebben een zeer lage thermische neutronenabsorptiedoorsnede en kunnen daarom worden gebruikt als kernstructuurmateriaal voor kernreactoren, zoals brandstofomhulsels, drukbuizen, stents en orifice-buizen.
Waarvoor wordt zirkoniumlegering gebruikt? Nucleair en meer
Het atoomnummer van zirkonium is 40, met het elementsymbool Zr. Het element zirkonium heeft een zilverachtig metaaluiterlijk en de dichtheid is 6,52 g/cm3. Zr heeft een zeer kleine neutronenadsorptiedoorsnede en een relatief hoog smeltpunt (1855 graden of 3371 graden F), waardoor zirkonium een geweldig materiaal is voor kernenergiestaven. In de jaren negentig werd ongeveer 90% van het zirkonium dat elk jaar werd geproduceerd, verbruikt door de nucleaire industrie. Naarmate echter steeds meer mensen bekend raken met Zr en de verbinding ervan, zijn er meer toepassingen gevonden.
Zirkoniumdioxide, of zirkonia, is een zeer belangrijke zirkoniumverbinding. ZrO2 kan een grondstof zijn voor technische keramiek, dat een grote hardheid en slijtvastheid heeft. Zirkonia kan ook in de vorm van transparant kristal zijn en is extreem hard, zoals diamanten. Zo zijn zirkoniumelementen ook te vinden in Joden, zoals zirkoniumringen en zirkoniumkronen, enz.
Zirkoniummetaal en zirkoniumlegeringen hebben voordelen in gespecialiseerde chemische omgevingen - voornamelijk azijnzuur en zoutzuur. De corrosiebestendigheid van zirkonium komt van een stevig gehecht oxide dat zich bijna onmiddellijk vormt. Als gevolg hiervan is zirkonium gebruikt om elektrodecomponenten, flensbouten, buizen en staven te maken voor speciale toepassingen. Zirkoniumproducten hebben ook brede toepassingen in medische apparatuur, zoals zirkoniumimplantaten.
Er zijn ook speciale eigenschappen gevonden voor materialen op basis van zirkonium. Zirkonium is gebruikt om supergeleidende materialen te maken die bestand zijn tegen hoge temperaturen en Zr-kristalstaven worden vaak gebruikt als grondstof. Zirkoniumlegeringen worden ook beschouwd als veelbelovende materialen voor commercieel amorf metaal, ook wel metallisch glas genoemd. Vergeleken met gangbare metaalmaterialen heeft amorf metaal geen korrelgrenzen, wat leidt tot een betere slijtvastheid en hardheid. Bovendien hebben amorfe metalen geen korrelgrenscorrosie en kunnen ze door warmte worden gevormd. Om de amorfe toestand te verkrijgen, moeten de gesmolten legeringen snel worden afgekoeld. Meestal moet de snelheid miljoenen K/s zijn, de recent ontwikkelde legeringen op basis van Zr kunnen dit op ongeveer 1 K/s brengen.
De vraag naar zirkonium zal naar verwachting de komende jaren toenemen vanwege de vraag naar kerncentrales wereldwijd. Slechts een paar grote bedrijven beschikken echter over de technologie die nodig is om zirkoniummaterialen op nucleair niveau te maken, en de enorme investering belemmert de toetreding van nieuwe spelers. Hoewel de nucleaire industrie nog steeds een groot deel van het jaarlijks geproduceerde zirkonium verbruikt, zijn toepassingen in andere velden, zoals keramiek, de afgelopen decennia snel ontwikkeld.
Zuiver zirkonium is een glanzend, grijswit, sterk overgangsmetaal dat in mindere mate lijkt op hafnium en titanium. Zirkonium wordt voornamelijk gebruikt als vuurvast en opacifier, hoewel kleine hoeveelheden worden gebruikt als legeringsmiddel vanwege de sterke corrosiebestendigheid. Zirkonium en zijn legeringen worden veel gebruikt als bekleding voor kernreactorbrandstoffen. Zirkonium gelegeerd met niobium of tin heeft uitstekende corrosie-eigenschappen.
De hoge corrosiebestendigheid van zirkoniumlegeringen is het gevolg van de natuurlijke vorming van een dichte stabiele oxidelaag op het oppervlak van het metaal. Deze film is zelfherstellend. Hij groeit langzaam bij temperaturen tot ongeveer 550 graden (1020 graden F) en blijft stevig hechten. De gewenste eigenschap van deze legeringen is ook een lage neutronenvangstdoorsnede. De nadelen van zirkonium zijn lage sterkte-eigenschappen en lage hittebestendigheid, die bijvoorbeeld kunnen worden geëlimineerd door legeren met niobium.
Zirkonium – Niobiumlegeringen. Zirkoniumlegeringen met niobium worden gebruikt als bekledingen van splijtstofelementen van VVER- en RBMK-reactoren. Deze legeringen vormen het basismateriaal van het assemblagekanaal van de RBMK-reactor. De Zr + 1% Nb-legering van het type N-1 E-110 wordt gebruikt voor bekledingen van splijtstofelementen en de Zr + 2.5% Nb-legering van het type E-125 wordt toegepast voor buizen van assemblagekanalen.
Zirkonium – Tinlegeringen. Zirkoniumlegeringen, waarin tin het basislegeringselement is, zorgen voor verbetering van hun mechanische eigenschappen en zijn wijdverspreid in de VS. Een veelvoorkomende subgroep heeft het handelsmerk Zircaloy. In het geval van zirkonium-tinlegeringen is de corrosiebestendigheid in water en stoom verminderd, wat resulteert in de noodzaak voor extra legering.
Het bekledingsmateriaal voor de nieuwe 17×17 brandstofontwerpen is ook gebaseerd op de zirkonium-niobiumlegeringen (bijv. geoptimaliseerd ZIRLO-materiaal), waarvan is aangetoond dat ze een verbeterde corrosiebestendigheid hebben vergeleken met eerdere brandstofbekledingsmaterialen. Het geoptimaliseerde tinniveau biedt een verlaagde corrosiesnelheid terwijl de voordelen van mechanische sterkte en bestendigheid tegen versnelde corrosie door abnormale chemische omstandigheden behouden blijven.
Kosten van zirkonium
Qua kosten zijn deze legeringen vaak de materialen bij uitstek voor warmtewisselaars en leidingsystemen voor de chemische en nucleaire industrie. Zirkonium is een bijproduct van de winning en verwerking van titaniummineralen en tinwinning. Van 2003 tot 2007, terwijl de prijzen voor het mineraal zirkoon gestaag stegen van $ 360 tot $ 840 per ton, daalde de prijs voor onbewerkt zirkoniummetaal van $ 39.900 tot $ 22.700 per ton. Zirkoniummetaal is veel duurder dan zirkoon omdat de reductieprocessen kostbaar zijn. Alle kosten variëren aanzienlijk met een bepaalde zuiverheid.
Productie van zirkonium
De productie van zirkoniummetaal vereist speciale technieken vanwege de specifieke chemische eigenschappen van zirkonium. Het meeste Zr-metaal wordt geproduceerd uit zirkoon (ZrSiO4) door het reduceren van zirkoniumchloride met magnesiummetaal in het Kroll-proces. Het belangrijkste kenmerk van het Kroll-proces is de reductie van zirkoniumchloride tot metallisch zirkonium door magnesium. Commercieel niet-nucleair zirkonium bevat doorgaans 1-5% hafnium, waarvan de neutronenabsorptiedoorsnede 600x die van zirkonium is. Hafnium moet bijna volledig worden verwijderd (gereduceerd tot < 0,02% van de legering) voor reactortoepassingen.
Zirkoniumlegeringen in de nucleaire industrie
De splijtstofmantel heeft doorgaans een binnenstraal van rZr,2=0.408 cm en een buitenstraal van rZr,1=0.465 cm.
Brandstofbekleding is de buitenste laag van de brandstofstaven, die tussen het reactorkoelmiddel en de nucleaire brandstof (d.w.z. brandstofpellets) staat. Het is gemaakt van corrosiebestendig materiaal met een lage absorptiedoorsnede voor thermische neutronen (~ 0.18 × 10–24 cm2), meestal zirkoniumlegering. De brandstofbekleding heeft doorgaans een binnenstraal van rZr,2=0.408 cm en een buitenstraal van rZr,1=0.465 cm. Vergeleken met de brandstofpellet is er bijna geen warmteontwikkeling in de brandstofbekleding (de bekleding wordt licht verhit door straling). Alle warmte die in de brandstof wordt gegenereerd, moet via geleiding door de bekleding worden overgedragen; daarom is het binnenoppervlak heter dan het buitenoppervlak.
Een typische samenstelling van nucleaire zirconiumlegeringen bestaat voor meer dan 95 procent uit zirconium en minder dan 2% uit tin, niobium, ijzer, chroom, nikkel en andere metalen, die worden toegevoegd om de mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid te verbeteren. Tot op heden is de meest gebruikte legering in PWR's Zircaloy 4. Momenteel wordt deze echter vervangen door nieuwe legeringen op basis van zirconium en niobium, die een betere corrosiebestendigheid vertonen. De maximale temperatuur waarbij zirconiumlegeringen in watergekoelde reactoren kunnen worden gebruikt, is afhankelijk van hun corrosiebestendigheid. De meest voorkomende zirconiumlegeringen, Zircaloy-2 en Zircaloy-4, bevatten de sterke stabilisatoren tin en zuurstof, plus de stabilisatoren ijzer, chroom en nikkel.
Legeringen van het type Zircalloy, waarin tin het basislegeringselement is dat hun mechanische eigenschappen verbetert, hebben een brede verspreiding wereldwijd. In dit geval vindt echter een afname van de corrosiebestendigheid in water en stoom plaats, wat resulteert in de noodzaak van extra legering. De verbetering die wordt veroorzaakt door het additief niobium omvat waarschijnlijk een ander mechanisme. De hoge corrosiebestendigheid van niobium gelegeerde metalen in water en stoom bij temperaturen van 400-550 graden wordt veroorzaakt door hun vermogen tot passivering met de vorming van beschermende films.
Oxidatie van zirkoniumlegeringen
De oxidatie van zirkoniumlegeringen is een van de meest bestudeerde processen in de nucleaire industrie. De oxidatieve reactie van zirkonium met water laat waterstofgas vrij, dat gedeeltelijk diffundeert in de legering en zirkoniumhydriden vormt. De hydriden zijn minder dicht en mechanisch zwakker dan de legering; hun vorming resulteert in blaarvorming en scheuren van de bekleding - een fenomeen dat bekend staat als waterstofbrosheid. Hoewel veel van deze rapporten zijn geschreven om de reactie van brandstof en stoom met zirkoniumlegeringen in het geval van een nucleair ongeluk aan te pakken, zijn er nog steeds een aanzienlijk aantal rapporten die betrekking hebben op de oxidatie van zirkoniumlegeringen bij gematigde temperaturen van ongeveer 800 K en lager.
Toekomstig potentieel en ontwikkeling van zirkoniumlegering
Terwijl de industrieën Zirconium en Zirconium Alloy Products grenzen verleggen, ontpopt zirkoniumlegering zich als een belangrijke speler in het vormgeven van de toekomst van industriële toepassingen. Met zijn uitzonderlijke corrosiebestendigheid en hogetemperatuurstabiliteit, banen zirkoniumlegeringen de weg voor baanbrekende innovaties in verschillende sectoren.
De voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen in zirkoniumlegeringtechnologie stimuleren vooruitgang in de lucht- en ruimtevaart, kernenergie en chemische verwerkingsindustrieën. Ingenieurs onderzoeken nieuwe manieren om de sterkte en duurzaamheid van zirkoniumlegeringen te verbeteren, wat deuren opent naar nog meer uiteenlopende toepassingen.
Naast de mechanische eigenschappen maakt de biocompatibiliteit van zirkoniumlegering het een aantrekkelijke optie voor medische implantaten en apparaten. Het potentieel voor verdere groei op dit gebied is veelbelovend, aangezien onderzoekers zich verder verdiepen in het optimaliseren van zirkoniumlegeringen voor biomedische doeleinden.
Met voortdurende verbeteringen en ontdekkingen in het verschiet, ziet de toekomst van zirkoniumlegeringen er rooskleurig uit. Zirkoniumlegeringen blijven industriële processen revolutioneren en stimuleren innovatie.
Het gebruik van zirkoniumlegeringsproducten in industriële toepassingen biedt een veelvoud aan voordelen die het een zeer wenselijk materiaal maken voor verschillende industrieën. Met zijn uitzonderlijke corrosiebestendigheid, hogetemperatuursterkte en biocompatibiliteit, zijn zirkoniumlegeringen klaar om een steeds belangrijkere rol te spelen in het vormgeven van de toekomst van industriële productie en technologie.
Naarmate er vooruitgang wordt geboekt in de ontwikkeling en toepassing van zirkoniumlegeringsproducten, kunnen we verwachten dat we nog meer innovatie en vooruitgang zullen zien in sectoren variërend van lucht- en ruimtevaart en gezondheidszorg tot kernenergieopwekking. De veelzijdigheid en betrouwbaarheid van zirkoniumlegeringen maken ze een waardevolle troef bij het verleggen van de grenzen van wat mogelijk is binnen industriële processen.
Door de unieke eigenschappen van zirkoniumlegeringen te benutten, kunnen fabrikanten de prestaties verbeteren, de efficiëntie verbeteren, onderhoudskosten verlagen en uiteindelijk succes boeken in hun respectievelijke vakgebieden. Als we naar de toekomst kijken, is het duidelijk dat zirkoniumlegeringproducten wereldwijd voorop zullen blijven lopen in geavanceerde industriële toepassingen.
Zirkoniumlegeringen om te voldoen aan de eisen van materialen in fusie
Materialen en ontwerp van fusiereactoren
Kernfusie is de laatste jaren uitgebreid onderzocht vanwege het vermogen om schone energie te creëren zonder de verspreiding van radioactieve bijproducten. Bij fusie worden twee elementen samengesmolten om energie vrij te maken. Momenteel is de beste kandidaat voor fusie een deuterium-tritiumreactie. Deuterium en tritium zijn twee isotopen van waterstof, die bij fusie helium, vrije neutronen en energie creëren. Momenteel worden de ontwerpen voor fusiereactoren DEMO, STEP en ITER geëvalueerd.
In een fusiereactor zijn de uitdagingen op het gebied van neutronenefficiëntie anders dan bij fissiereacties. Tritium moet constant worden aangevuld om de langetermijnefficiëntie van de fusiereactie te behouden. Dit wordt bereikt door het tritium te kweken via inelastische neutronenverstrooiing. Omdat de reacties plaatsvinden bij verhoogde temperaturen en onderhevig zijn aan thermische kruip, zijn materialen vereist die goed kunnen presteren bij verhoogde temperaturen en tegelijkertijd een lage thermische neutronendoorsnede behouden.
De selectie van materialen met superieure structurele en thermische eigenschappen is essentieel voor het veilige en optimale ontwerp van fusiereactorcomponenten. Een belangrijk element van het ontwerp van fusiereactoren is de kweekdeken, die de reactorinstrumenten beschermt tegen straling. Kweekdekens bestaan uit een set modules die de binnenkant van het fusiereactorvat bedekken en bestand moeten zijn tegen extreme temperaturen en intense neutronenstromen. Bovendien zorgt het voor maximale reactorefficiëntie.
Materialen die zijn onderzocht als kandidaten voor het ontwerp van een breeder blanket zijn onder andere legeringen en composieten op basis van vanadium, ijzer, silicium en chroom. Recente studies hebben aangetoond dat zirkonium (Zr) een voordelige kandidaat is als het wordt gebruikt als structureel materiaal in de eerste wand van een breeder blanket in een DEMO-achtige reactor.
Voordelen van zirkonium
Zirkonium wordt al ongeveer zes decennia gebruikt als materiaal in splijtingsreactortoepassingen. Tegenwoordig worden veel zirkoniumlegeringen gebruikt als brandstofbekledingen en -assemblages in lichtwatersplijtingsreactoren. Veelvoorkomende legeringen zijn onder meer Zr-2.5, ZIRLOTM en Zircaloy-2 en –4. Het succes van deze legeringen is grotendeels te danken aan de kleine doorsnede van hun thermische neutronenabsorptie, in vergelijking met andere structurele materiaalelementen.
Het voordeel van een kleine thermische neutronenabsorptiedoorsnede is dat het de hogere beschikbaarheid van neutronen mogelijk maakt, wat de criticaliteit van de splijtingsreactie in stand houdt. Andere materialen hebben verdere verrijking nodig, wat financieel kostbaar kan zijn. Echter, aangezien fusiereacties plaatsvinden bij verhoogde temperaturen en er een inherente thermische kruip optreedt tijdens de werking, zijn huidige zirkoniumlegeringen onvoldoende.
Onderzoek naar huidige zirkoniumlegeringen en aanpak van problemen
In de studie gepubliceerd in het Journal of Nuclear Materials hebben de auteurs verschillende momenteel commercieel beschikbare zirkoniumlegeringen onderzocht, waaronder binaire legeringen zoals Zr-V en Zr-Si legeringen, evenals legeringen van hogere orde zoals Zr-Nb-Ti en Zr-Mo-Sn. Er werd geconcludeerd dat met verder onderzoek legeringen van hogere orde voordelige thermische en structurele eigenschappen (zoals sterkte en ductiliteit) konden vertonen, terwijl ze een lage thermische neutronendoorsnede behouden.
Er zijn echter momenteel onvolledige gegevens over de prestaties van deze legeringen bij verhoogde temperaturen die tijdens de werking optreden. In een fusiereactor kunnen de temperaturen gemakkelijk oplopen tot 500-700 oC. Van elk structureel materiaal dat is samengesteld uit zirkoniumlegeringen, wordt verwacht dat het superieure thermische en mechanische eigenschappen vertoont bij gebruik in vloeibaar metaal of heliumgekoelde kweekdekens.
Bij het onderzoeken van de momenteel beschikbare zirkoniumlegeringen concludeerden de auteurs dat het gebruik van Zr-4 als structureel materiaal voor de kweekdeken de tritiumkweekverhouding aanzienlijk zou verbeteren. Hoewel dit aanzienlijk beter is dan andere kandidaten zoals V-4Cr-4Ti, zijn er nog steeds problemen met de sterkte, thermische kruipweerstand en vermoeidheidseigenschappen bij verhoogde temperaturen. Bovendien kunnen onzuiverheden brosheidsproblemen veroorzaken, waardoor de noodzaak voor barrièrecoatings wordt vergroot.
Onze fabriek
Baoji West Titanium Materials Co., Ltd (West-Ti) is gevestigd in Baoji, provincie Shaanxi, bekend als China's Titanium Valley, en werd opgericht in 2019 met een geregistreerd kapitaal van 60 miljoen yuan. Het bedrijf werd samengevoegd met Baoji Hongyuan Titanium Industry Co., Ltd. en Baoji Overflow Industrial Co., Ltd, beide bedrijven hebben meer dan 20 jaar ervaring in de titaniumindustrie. In 2019 omvat de gezamenlijk opgerichte Baoji West Titanium Materials Co., Ltd-activiteit de verwerking en verkoop van zeldzame metalen zoals titanium spoel, plaat, staaf, draad en titanium smeedwerk.
FAQ
Als een van de meest professionele fabrikanten en leveranciers van zirkoniumlegeringen in China, worden we gekenmerkt door kwaliteitsproducten en concurrerende prijzen. Wees vrij om zirkoniumlegeringen te koop hier te kopen en ontvang een offerte van onze fabriek. Neem contact met ons op voor aangepaste service.
