Alliages de zirconium : composition, propriétés, application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

L'utilisation de l'alliage de zirconium est actuellement assez répandue en médecine et dans l'énergie nucléaire. Dans d'autres industries, ce matériau est également utilisé, mais dans une moindre mesure. Il convient de noter que divers alliages de cette matière première ont gagné en popularité. En soi, le zirconium n'est pas devenu un matériau populaire, car sa qualité est bien pire que celle d'un alliage du même métal.

Informations générales

Le zirconium (Zr) est un élément du tableau périodique dont le numéro atomique est 40 et son poids atomique est 91,22. Dans des conditions normales et dans des conditions normales, ce matériau est un métal brillant avec une teinte blanche argentée. La densité de ces matières premières atteint 6,45 g/cm3. Ce métal sous sa forme pure, qui ne contient aucune impureté, se distingue par le fait qu'il a une ductilité très élevée et qu'il est très facile à traiter à froid comme à chaud. Il convient de noter ici que cette matière première, comme le titane par exemple, perdra fortement ses propriétés mécaniques si elle est associée à des impuretés de substances non métalliques. Le zirconium et l'oxygène sont considérés comme les pires composés.

Propriétés des matériaux etalliage

Le zirconium lui-même se distingue par le fait qu'il a une résistance assez élevée à divers acides. Cette matière première ne se dissout pas dans un environnement tel que l'acide nitrique et chlorhydrique ou l'alcali. Cette fonctionnalité est essentielle. Sur sa base, de nombreux alliages de zirconium sont créés. Par exemple, si vous prenez des alliages de magnésium à plusieurs composants et que vous leur ajoutez un élément tel que le zirconium, le matériau deviendra beaucoup plus résistant à la corrosion. Si vous créez un alliage de titane et de zirconium, la résistance à l'acide du premier élément augmentera.

Il convient également de noter que tous les alliages de zirconium avec d'autres métaux se caractérisent par le fait qu'ils ne perdent pas leur ténacité dans une large plage de températures, la résistance aux chocs mécaniques reste à un niveau très élevé. Un exemple est un alliage de magnésium avec quelques pour cent de zinc et seulement quelques dixièmes de pour cent de zirconium. Le métal résultant sera presque deux fois plus résistant que le magnésium et pourra également conserver sa résistance à des températures allant jusqu'à 200 degrés Celsius.

Description des fonctionnalités

Les alliages de zirconium sont les plus activement utilisés dans des domaines tels que le gainage des éléments combustibles, les tuyaux de canaux de combustible et diverses parties des assemblages combustibles. Le zirconium lui-même se caractérise également par le fait que la section efficace d'absorption des neutrons est plutôt faible. Selon cet indicateur, il est juste derrière des substances telles que le magnésium et le béryllium. De plus, le point de fusion du zirconium est très élevé.

Les alliages de zirconium utilisés dans diverses industries se caractérisent par le fait qu'ils ont une très haute résistance à la corrosion dans l'eau, dans le mélange vapeur-eau, dans la vapeur saturée et surchauffée jusqu'à une température d'environ 350-360 degrés Celsius. Il convient également de noter que cette limite de température devrait être relevée à des valeurs plus élevées dans un proche avenir.

Paramètres alliage

Les propriétés des alliages de zirconium en termes de stabilité mécanique sont assez élevées, ce qui n'est pas le cas du zirconium pur. C'est par alliage que la haute résistance du matériau est obtenue. Par exemple, un alliage tel que le niobium (Nb) et 1% de zirconium (Zr) sera caractérisé par le fait que la limite d'élasticité du matériau à des températures de 20, 200, 300 et 400 degrés Celsius sera de 200, 160, 120 et 90 MPa. Cet alliage est activement utilisé pour le gainage des crayons combustibles. Et, par exemple, si vous modifiez la composition de l'alliage de zirconium avec du niobium, c'est-à-dire que vous augmentez la teneur en zirconium à 2,5 %, la limite d'élasticité passera à 280, 220, 200 et 180 MPa, aux mêmes températures.

Cependant, ces matériaux ont leurs inconvénients. Les inconvénients incluent le fait que l'alliage avec du zirconium s'avère trop effrayant lorsque la température atteint 320-350 degrés Celsius et plus. Un autre inconvénient est que le Zr dissout activement l'hydrogène, ce qui se produit souvent lors de la corrosion. De ce fait, des substances telles que les hydrures de zirconium se forment, ce qui réduit considérablement la ductilité de la matière première, ce qui rend le métal plus cassant.

Zirconium en médecine

Les alliages de zirconium sont utilisés assez activement en médecine. Grâce à des expériences, les scientifiques ont découvert que même le port de simples bracelets en zirconium peut aider à traiter certaines maladies et peut également améliorer le bien-être général d'une personne.

Aujourd'hui, les implants (appareils de rétention) sont souvent utilisés dans des domaines médicaux tels que la traumatologie et la chirurgie maxillo-faciale. Les fixateurs sont utilisés pour les fractures, fixant les os afin qu'ils ne bougent pas. C'est dans ces cas que l'on peut distinguer les avantages de l'utilisation d'alliages de zirconium tels que: compatibilité biologique élevée (c'est-à-dire absence de réactions allergiques du corps humain à un tel alliage ou rejet), caractéristiques de résistance élevée de l'alliage, ce qui est très important pour les fixateurs. Il convient également de noter que l'absence de rejet ou d'allergie à une telle substance a conduit au fait qu'il n'était pas nécessaire de répéter l'opération chirurgicale pour retirer la contention si le corps commençait soudainement à rejeter l'implant.

Zirconium dans l'industrie de l'énergie nucléaire

Jusqu'aux années 50 du siècle dernier, on pensait que le zirconium n'était pas adapté à une utilisation dans ce domaine. Pourtant, c'était dans les années 50. Pour la première fois, un matériau a été obtenu qui a été complètement purifié d'une impureté telle que l'hafnium. Après purification, il s'est avéré que le zirconium pur a une très petite section efficace d'absorption des neutrons thermiques. C'est cette qualité qui est devenue la principale et a permis d'utiliser des alliages de zirconium dans l'industrie de l'énergie nucléaire.

Il convient d'ajouter que le zirconium simplement purifié ne pouvait pas être utilisé car la résistance à la corrosion était trop faible dans l'eau chaude. Après cela, il a été décidé d'utiliser des alliages à base de zirconium. Ils ont fait leurs preuves dans les réacteurs refroidis à la vapeur et dans des environnements corrosifs similaires.

Applications générales des alliages

Le zirconium est largement utilisé comme élément d'alliage. Cela est dû au fait que les métaux auxquels cette substance est ajoutée deviennent plus résistants à la chaleur, aux acides, etc. C'est-à-dire que l'alliage de métal et de zirconium dépasse largement la matière première initiale dans ses caractéristiques.

Le ferrozirconium est assez largement utilisé. C'est un alliage de zirconium et de fer. La teneur en élément d'alliage Zr atteint 20% de la masse totale. Une telle substance est utilisée en métallurgie comme désoxydant et dégazeur pour l'acier. Les alliages aluminium-zirconium, par exemple, sont considérés comme les plus résistants à la corrosion et sont utilisés dans les grilles cathodiques des tubes à vide. La teneur en Zr d'un tel alliage ne dépasse pas 3 % de la masse totale.

Dans la métallurgie ferreuse, en plus du ferrozirconium, un alliage de Zr et de silicium est souvent utilisé. Il est utilisé pour le dégazage de l'acier. Un alliage de cuivre et de zirconium est largement utilisé pour la fabrication d'éléments conducteurs pour les équipements électriques.

Trouver du zirconium

Il convient de noter que le zirconium est un élément plutôt rare. La teneur de cette substance dans la croûte terrestre ne dépasse pas0,025 % en poids. Le zirconium occupe la douzième ligne du tableau de prévalence des métaux. Cette matière première est assez dispersée et il est donc très difficile d'en trouver de grands gisements. On le trouve le plus souvent sous forme de composé chimique situé dans la lithosphère, car le zirconium lui-même est un élément lithophile.