镁锂合金的开发 加工和应用
应 用 开 发
稀有金属快报 2002年第5期 11
镁锂合金的开发 加工和应用
镁产品主要用于汽车工业。运动件质量
的减少可以降低能源消耗，因此对环境有利。
在欧洲，镁曾经一度流行。1934年，德国大
众汽车公司将镁铸件用于发动机结构和驱动
系统，二战后，1949年，德国大众汽车公司
再次开始生产镁零件。1971年，大众汽车公司
的镁使用量达到高峰(42000t/a)。1995年大众
汽车公司再次使用镁，用于帕萨特、奥迪A4、
奥迪A6的齿轮箱。从长远看，每辆轿车用镁
量将达到100kg。预计2005年，轿车用镁量
将增加25%；2010年再增加30%，其它需要
轻合金的工业也使用镁，如：体育休闲领域。
目前，镁结构材料主要通过压模铸造和
铸造方法制备。其它加工方法也越来越重要，
特别是轧制、挤压、锻造等成型工艺，可以有
效地生产零部件、异型件、半成品。
标准合金是MgAlZn和MgAlMn基的结
构材料，通过压模铸造方法制备，添加硅或稀
土元素可以改变其蠕变性能和高温性能，如细
结晶的锆合金系可进行砂模铸造、冷铸造和成
型工艺。添加相对贵重的稀土元素如铱、银可
以将其使用温度提高至300℃，用于航天和汽
车发动机部件。降低密度的MgLi合金的研究，
主要是为了提高成型性能。其它合金研究包括
镁锂合金中诸如：钙、钪、钇金属间化合物相
的产生，这样可以提高热强度性能。由于镁锂
合金良好的高温性能、刚性和摩擦性能，它将
以新的纤维和颗粒增强复合材料应用于高应
力领域。非晶态镁材料还处于初期发展阶段，
材料性能范围扩大，直接与新的加工技术有
关，除传统的加工工艺外，特殊镁材料可使用
像铸造触变技术、快速成型、喷射成型和在线
合金化的惰性颗粒弥散的雾化技术。此外，材
料泡沫化是生产超轻结构材料的一种方法。 Ｍｇ－Ｌｉ合金系 德国汉诺威大学材料科学
学院主要进行MgLi合金的开发。作为结构材
料要求镁合金的性能范围必须拓宽。一方面对
超轻的体心立方的MgLi40at%，密度为
1.3g/cm3进行了仔细研究。它的高比强度和高
延展性被其相对较低的耐热、耐蠕变性能所抵
消；另一方面对六方的MgLi12at%和添加其它
元素的合金性能进行了仔细分析。锂对六方镁
晶格的影响通过冲击强度实验进行分析。其延
展性提高机理是锂代替镁原子，减小了晶格轴
比c/a值。原子间距的减小降低了六方晶格沿
斜面{1010}晶面系，〈2110〉晶向簇滑动的动
能。该滑移在室温下即可发生。当然，高变形
主要是由基面{0001}、〈2110〉进行的。
通过对MgLi12at%（xMgLi4mass%）与
相应标准合金的机械性能比较可以看出，低沉
淀相的MgLi固溶合金显著提高了其延展性，
尽管其是六方结构，该合金系的机械性能的进
一步优化已能满足很大应用领域的需求。
Ｍｇ－Ｌｉ合金系的腐蚀控制 镁合金的应用
因为其耐蚀性差而受限制。锂、铝、镓对耐腐
蚀有着特殊的机理和作用。MgLi12at%可获得
高的耐蚀性能。铝和镓分别提高其在大气和人
工海水中的耐蚀性能。选择锂是因为其在所有
pH值下，不与OH- 发生反应。这样就可以在
表面形成Mg(OH)2层，由Li增加pH值来提
高稳定性选择的实验合金为hcpMg、
MgLi8at%、MgLi12at%和bccMgLi40at%。实
验结果表明，在加少量锂范围内，其腐蚀速度
随锂含量升高而降低。但大量添加锂，如
MgLi40at%腐蚀加快。
hcp MgLi12at%腐蚀速度在200h之后，
仅为镁的一半。但是考虑腐蚀速度的同时必须
考虑Mg(OH)2的附着强度，还必须添加其它应 用 开 发
12 稀有金属快报 2002年第5期 元素进行稳定化。添加元素必须与镁晶格匹
配，又能避免动态碱性化引起Mg(OH)2层的
连续形成和溶解，镁和铝被选作Mg(OH)2层
进一步稳定化的元素。铝与镁固溶或形成
MgAl2O4保护层。然而高的铝含量如8at%将
引起多相结构的选择腐蚀。在中性环境下，铝
可以在镁表面形成Al2O3保护层。钙的耐腐蚀
原理同锂一样。总之，这两种添加元素都可以
形成基于Mg(OH)2的保护层，从而使Mg三
元合金系MgLiAl、MgLiCa具有更好的耐蚀
性能，同时具有增强的延展性和抗蠕变性能。
加工 为实现开发镁合金材料的综合性
能，重点是开发材料冶金工艺和可行的熔炼工
艺。材料冶金工艺技术的基础是改善炉子系
统，使之能处理高活性镁蒸汽，避免污染。炉
子的所有部件要与大气隔离，用惰性气体保
护。铸造工艺已经从砂模、重力铸造升级到质
量优化的冷炉室压模铸造。对进行批量生产的
连续铸造设备也进行了尝试。除此之外，还努
力进行快速凝固如：惰性气体雾化工艺和喷射
成型。该炉子的有效性已通过小批量生产得到
验证。在进行冷炉室压模铸造时，可以进行体
积的准确测定。全部压模铸造过程由程序存储
控制单元进行控制。
快速凝固 快速凝固过程有以下优点；组
织细化，相分布均匀；减少或避免宏观偏析；
强制固溶。这些优点提高了材料在室温下和更
高温度下的机械性能。粉末冶金技术可以制备
新合金和复合材料，喷射铸造还处于发展阶
段，喷射铸造与传统的粉末冶金技术相比，仅
一步成形，避免了污染。其晶粒尺寸达到
50ìm，成分均匀，其硬度比冶金方法高20%。
开模铸造 镁开模砂型铸造可以制备块
状产品及其系列产品。其关键工艺是通过利用
的熔剂或惰性气体来避免活性的镁在熔炼和
铸造时氧化。在铸造时，为了避免液态镁与铸
模中的潮气或铸模材料本身发生反应，可以采
取以下措施： ▲ 采用抑制剂。将抑制剂与铸模材料混
合，或在熔化金属表面形成固态、惰性层。避
免铸模与液态镁的反应。
▲精整填料沉淀。将填料如：Molco41A
（基于KBF4）、AlF3沉积于铸模表面，而不
是混合所有铸模材料。
▲采用透气性好和不易反应的铸模材
料。这些材料几乎不与液态镁反应，并能较好
地透气，如石墨或泡沫塑料。石墨材料特别适
用于开模铸造高活性MgLi合金。其中采用膨
润土做粘结剂，实验表明，铸件质量理想，但
模具加工技术还需提高。
镁新应用领域 镁的另一新应用是在外
科中用作医用植入材料，它具有低的密度、优
异的缓冲性能、大量永久模铸造和良好的耐蚀
性能。镁是人体重要元素，镁在体内溶解很快，
少量镁是人体必须元素而不会损害组织，。所
以镁可作为临时植入材料，镁除了具有良好的
生物化学兼容性外，还有非常良好的机械兼容
性。镁的弹性模量非常接近皮层，其最终抗拉
强度高于一般的生物可降解聚合物植入材料。
聚合物材料在体内产生排异而镁却无此现象。
德国汉诺威大学的学者成功地进行了心血管
延伸植入材料的玻璃试管内及体内的实验。
结论 1、德国汉诺威大学材料科学学院
进行了镁技术领域的合金开发、加工工艺、性
能测试等工作。2、添加锂使六方固溶镁晶体
提高了延展性，与传统镁材料相比，往MgLi
合金中添加铝、稀土、锌和锰，除了密度降低
外，可明显提高其性能。3、4%(质量百分数)Li、
Ca和Al可提高镁合金耐蚀性能。其机理在于
形成与材料相关的保护层。4、对活性镁熔炼
的设备进行了改造，生产了大体积、高活性的
MgLi半成品。可以在熔炼中进行惰性气体熔
融金属雾化和喷射压制成型。通过安装单独的
测量室，可为在压模铸造时进行熔融金属体积
的精确控制。开模铸造提供了MgLi合金和镁
标准合金的原形件和系列产品批量生产的可应 用 开 发
稀有金属快报 2002年第5期 13 能。5、大量应用和加工技术，研究工作仍未
完成。为使镁合金成为有竞争性的结构材料，
特别是复杂的应用不仅是技术领域，仍需进行大量工作。6、镁合金心血管延伸植入件试制
成功开辟了一个新镁合金应用领域。
(罗丽娟)
钛弹簧掀起汽车用钛的高潮
钛在北美汽车领域的应用正日益发展，美
国钛金属公司(Timet)相信下一代钛合金将是
低成本、竞争力更强的材料，适用于中等规模
以及大规模汽车用悬簧生产中。
位于丹佛市的北美最大的Timet钛生产
公司也是美国惟一的海绵钛生产商，公司目前
正在试制和开发符合技术规范的钛合金，以满
足北美汽车公司的需求。
Timet公司取得的成就之一是在德国大众
汽车公司的新型Lupo FSI汽车上第一次使用
了钛悬簧。这是一个新的里程碑。2000年，
通用汽车公司的雪佛莱Corvette ZO6型汽车
选择了钛代替不锈钢，用于2个26磅排气系
统部件中。
尽管钛在汽车运用中取得了一些进步，但
美国的底特律(Detroit)汽车公司对钛用于汽车
弹簧兴趣不大。该公司以静观其变的态度，观
察汽车用钛的发展趋势。可以说，钛用于汽车
工业是一次机遇，也是钛新应用的开端，因为
钛具有优异的物理和力学性能，它能明显地改
进性能和延长使用寿命，钛使汽车发动机的底
盘重量明显减轻了，在材料竞争价值及优越性
方面找不出第2种材料。与钢和传统的汽车弹
簧材料相比，钛具有重量轻、耐蚀性好和剪切
模量低等优点，钛弹簧在使用时几乎不发生线
圈旋转。
另外，钛弹簧的生产可利用传统生产钢弹
簧的设备。为Lupo FSI型汽车生产钛弹簧的
德国汽车部件生产商Muhr 和Bender公司使
用的机械设备就是生产钢弹簧的同一种大型
设备。有些工艺基本上与生产钢弹簧一样。Timet公司为Lupo FSI型汽车用材料取名为
Timetal LCB，该材料保持着航空弹簧用钛
合金的优异性能，最主要的是降低了成本。
与以前汽车相比，整体重量减轻了180磅
(81.71kg)。与常用的弹簧相比，钛提高了比强
度，使汽车设计重量减少了60%~70%，实际
重量减少了40%。
目前的汽车用弹簧基本是线弹簧，基本应
用于小轿车上，但少量卡车用弹簧也从片式转
换成线式，以生产类似小轿车的情况，这个趋
势还会发展。尽管Timet公司近几个月发展缓
慢，但应相信其材料还会有更多的机会，因为
钛弹簧比钢弹簧轻60%~70%。在美国制造的
典型5人~ 6人家庭用车像福特Taurus、雪佛
莱Impala或Dodge Intrepid车上，每辆车的重
量可减轻20磅~30磅，使用4个钛线弹簧，可
使汽车突起的部位重量减轻、性能改进。虽然
用钛比用钢提高了成本，但关键还是看成本/
性能比。
大众汽车公司新型Lupo车是德国汽车生
产商制造的最小型的汽车，FSI(燃料逐层注入)
型是几种车型之一。以汽油为燃料，重仅为
1962磅(889.95kg)，每加仑燃料能够行驶
23.5km。Lupo FSI车售价约为13800美元，
Timet发言人指出，钛应用不局限于高价车。
2001 Lupo FSI车型标志着钛弹簧在汽车生产
中的首次应用。Timet公司将生产欧洲汽车用
钛合金，这种汽车是世界上最节省燃料的汽
车。大众汽车公司2001年生产该型号汽车约
为3500辆。2000年，Timet向雪佛莱Corvette
ZO6车配备的排气系统供应钛合金，此排气系
提高镁锂合金耐腐蚀性能的研究现状
提高镁锂合金耐腐蚀性能的研究现状
镁锂合金因其轻质性和良好的机械加工性能，被广泛应用于很多领域。但由于其抗腐蚀能力较差，在航空航天、医疗器械等领域的应用受到限制。本文在现有研究的基础上，主要综述了提高镁锂合金耐腐蚀性能的方法，并展望了镁锂合金未来的研发方向。
标签：镁锂合金 耐腐蚀性能 化学转化膜 阳极氧化 气相沉积
0. 前言
镁锂合金的密度约为1.35～1.65 g/ cm3，是目前存在的最轻质的合金[1]，比玻璃橡胶等许多有机物及有机物还轻。镁锂合金具有优良的阻尼性、机械加工性，极高的比强度和比刚度，在3C产品、医疗器械、航空航天等领域得到普及。
虽然镁锂合金性能优良，但是加入Li元素后，合金中形成第二相，导致镁锂合金的耐腐蚀性能随着Li元素的增加而降低。提高镁锂合金的耐腐蚀性能，是使其得到普遍应用的前提。本文对近年来提高镁锂合金耐腐蚀性能的研究做了评述，并展望其发展趋势。
1. 化学转化膜技术
化学转化膜技术是指金属与溶液中的离子发生反应后，在基体表面生成的与基体结合良好的化学隔离层[2]。传统的铬酸盐转化膜技术中，涉及到的六价铬具有毒性[3]，故现在的化学转化膜主要采用无铬工艺。现阶段在镁锂合金表面制备的无铬化学转化膜主要有：锡酸盐轉化膜、磷酸盐转化膜、植酸转化膜、稀土转化膜等[4]。
1.1 锡酸盐转化膜
张春红[5]等在镁锂合金表面形成了锡酸盐转化膜并研究其耐腐蚀性能。研究结果表明：该膜的主要成分是MgSnO3，膜层表面由球形的均匀颗粒组成;成膜时间为45min时，获得的转化膜最为致密，耐腐蚀性最佳。
张华[6]等在镁锂合金表面采用含有锡酸钠（ Na2[ Sn（ OH）6]）和磷酸二氢钾（ KH2 PO4）的转化液，获得锡酸盐转化膜，获得的膜层均匀、连续，主要由 MgSnO3、 Mg3（ PO4）及 SnO构成，该膜层的抗腐蚀能力明显优于基体。
1.2 磷酸盐转化膜
江溪[7]等在镁锂合金表面形成磷酸盐转化膜并研究其耐腐蚀性能。研究结果表明：室温条件下，9 min时获得的膜层最好，该膜层使镁锂合金的腐蚀电位
铝合金、镁合金在航天中的应用
铝合金、镁合金在航天器上的应用实例
1引言
我国航天事业的未来发展重点包括：载人航天空间站、高分辨率对地观测系统、深空探
测、空间科学、在轨服务平台和激光通信卫星等。这些航天器的特点是：长期在轨运行、体
积和质量大幅增加、需要配置更多的载荷和燃料、承受更加复杂的空间环境，对形状精度及
其保持能力要求更高。为满足上述需求，航天器未来将朝着长寿命、大型化、高承载、轻量
化、高尺寸稳定性，以及耐受复杂空间环境等方向发展。[1]
长寿命：空间站在轨密封寿命达10年，通信卫星在轨寿命要求12年-15年，星际探测
器可能在轨道上飞行20年以上。
大型化：空间站大型舱体结构直径将超过4m，长度15m以上；卫星外包络直径4m以
上；未来载人登月舱体外包络直径达到10m以上；另外，对于空间站、大型通信卫星等航
天器，需配置大型可展结构，如大型太阳翼、天线等。
高承载：空间站结构承载能力将达25t；“十二五”期间，大型卫星结构承载能力9t，
未来可能达15t；载人登月着陆器承载能力达30t以上。
轻量化：结构占航天器总质量的百分比下降到6%甚至更低。
高尺寸稳定性：要求航天器结构单向变形比达到0.1ppm/℃量级，以减小在空间交变热
环境对载荷指向精度的影响。[2]
耐受复杂空间环境：如耐受月面-180℃-150℃的交变温度环境、其它行星表面环境，以
及再入和行星进入热环境等。
而材料是形成航天器结构的基础，航天器结构的性能和可靠性在很大程度上取决于材料
的性能。为了降低航天器结构的重量、提高结构的刚度和强度，虽然可以在结构型式、尺寸
等方面进行各种设计和改进，但最直接和最有效的途径是选择密度小而弹性模量和强度高的
材料。[3]
铝合金材料的特点是密度低，有较高的比模量和比强度值；导热性和导电性良好；抗腐
蚀性能好；制造工艺性能良好。故其一直是航天器上最主要的结构材料之一。
镁合金材料具有比强度、比刚度高，阻尼性好等优点，是有效解决航天器轻量化需求的
轻质金属材料。如今在航天器上也得到了广泛的使用。
超轻镁锂合金设计、制备与表面技术
第３４卷第１期 ２ ０ １ ４年１月 黑龙江冶金 Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４ 超轻镁锂合金设计、制备与表面技术 张密林 （哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术教育部重点实验室，哈尔滨１５０００１） 摘要：镁锂合金作为最轻的金属结构材料具有广阔的应用前景。本文介绍超轻材料与表面技术教育部重点 实验室关于超轻镁锂合金的研究成果，包括镁锂合金的高强韧化设计与制备、微观结构解析、机理分析及表面 处理技术，并对其应用前景进行了展望。 关键词：镁锂合金；强韧化；超塑性；表面技术 Ｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｕｐｅｒｌｉｇｈｔ Ｍｇ—Ｌｉ ａｌｌｏｙｓ Ｚｈａｎｇ Ｍｉｌｉｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｌｉｇｈｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｅｓｔ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｍｇ—Ｌｉ ａｌｌｏｙｓ ｐｏｓｓｅｓｓ ｇｒｅａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎ— ｔｉａ１．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｌｉｇｈｔ Ｍｇ—Ｌｉ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｌｉｇｈｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅｉｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅ— ｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｍｇ—Ｌｉ ａｌｌｏｙｓ；Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ；Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ；Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 镁锂合金是以镁和锂为主的金属结构材料， 它与其它普通镁合金相比具有很多优势：具有低 密度（１．３５～１．６５ｇ／ｃｍ。），堪称超轻合金；由于锂 的加人改变了 （Ｍｇ）晶格的ｃ／ａ值，并可使面心 立方结构转变为体心立方结构的Ｂ（Ｌｉ）相，因而 合金的塑性变形能力显著提高；近十年来，镁锂合 金的发展由二次世界大战后的低谷期重新转变为 研究热点，尤其是日本、台湾、韩国等近年来在镁 锂合金领域投人大量研发力量，我国哈尔滨工程 大学、重庆大学、东北大学、北京航空航天大学等 单位也在近几年针对镁锂合金进行了大量的研 究，哈尔滨工程大学“超轻材料与表面技术教育部 重点实验室”的主要研究方向之一即是针对镁锂 合金开展全面研究。 近年来，超轻材料与表面技术教育部重点实 验室以镁锂合金为重点研究方向，对其微观结构 和宏观性能进行深入探讨，揭示材料强韧化机理、 加工过程中组织结构的演变规律，用熔盐电解方 法和真空熔炼方法制备镁锂合金，并研发镁锂合 金表面处理技术，取得了可喜的研究成果，成为世 界范围内发表关于镁锂合金领域论文最多的研究 机构，为镁锂合金的发展做出了重要贡献。本文 主要针对这些研究工作进行了总结。 １ 镁锂合金高强韧性设计与制备 金属结构材料的高强、高韧是研究者不断追 求的目标，除了通过对合金进行形变达到强韧化 的目的，合金化是一种常用的强韧化手段，通过合 金化可实现组织细晶化、固溶强化、析出强化等。 在镁锂合金中，因镁锂二元合金的强度很低¨Ｊ，因 收稿日期：２０１３—１２—１０ 作者简介：张密林（１９５５一）男，工学博士，教授，博士生导师，超轻材料与表面技术教育部重点实验室主任。发表ＳＣＩ检索 论文３００余篇，被引频次３６６１次，Ｈ—ｉｎｄｅｘ：２８，出版专著３部，授权发明专利５６项。
镁锂合金研究历史及现状
镁锂合金研究历史及现状
1910年，德国Masing在研究Li, Na , K与Mg相互作用时，意外地发现
Mg和Li发生有趣的结构转变，并认为该结构是超结构。
1934～1936年，德、美、英三国研究者不约而同地研究了镁锂合金的结构
转变，测定了二元相图，相继证实了含量增加到5.7wt%时出现hcp→bcc的转变。
出于军事需要，美国Battelle研究所曾开展大规模的镁锂合金研制工作，
试验熔铸批次达1700次。研究目标是开发出比重低、比强度、比刚度高、成形
性良好、方向性不明显的超轻合金。其后一段时间，镁锂合金的研究相对处于低
潮，这与十多年来关于镁锂合金的力学性能和时效强化的研究效果不理想有关。
但是，仍然取得了一些进展，洛克希德导弹与航空公司和IBM公司利用NASA报
告中的 LA141信息，开发了航天飞机Saturn-V用Mg-Li合金零件。美军用坦克
指挥部与DOW公司合作开发M113型装甲运兵车车体用镁锂合金U7。陆军弹道导
弹部门与Battelle研究所合作，研制出了LA141合金并将其纳入航空材料标准
AMS4386。1984年美国麦道公司尝试在Mg-9Li-X合金中采用快速凝固新工
艺;1990年美国斯坦福大学与海军部在Mg-8Li-4%B4C复合材料中研究其超塑性。[4]
上世纪60年代中期至1990年，前苏联科学院开始研究镁锂合金，开发出了
MA21 , MA18等合金，并制造出了强度与延性较好、组织稳定的镁锂合金零件。
1983年苏联学者首先实现了MA21合金的超塑性。1984年首创了激光快速凝固细
化表层晶粒的新工艺。
自70年代起，德国学者研究了镁锂相图及其合金，对激光快凝新工艺进行
了研究。日本一些大学、产业界充分利用美、前苏联两国学者奠基性的工作成果，
自90年代末开始，集中对二元Mg-Li、三元Mg-Li-Re(稀土元素)合金进行研究，
在8Li-1Zn系中获得最大超塑性延伸率δ=840%，同时开发出了
最轻的金属结构新材料——镁锂合金
最轻的金属结构新材料——镁锂合金
孙春兰;王俊红
【摘 要】本文介绍了一种最轻的金属结构新材料—镁锂合金的组织与性能特点、潜在应用领域、存在问题、国内外发展现状以及未来的发展展望.
【期刊名称】《世界有色金属》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】2页(P1-2)
【关键词】镁锂合金;超轻材料;应用;现状;展望
【作 者】孙春兰;王俊红
【作者单位】江苏鸿发新材料科技有限公司,江苏泰州225319;江苏鸿发新材料科技有限公司,江苏泰州225319
【正文语种】中 文
【中图分类】U465.2+2
以镁和锂元素为主要合金元素，在此基础上添加其它合金化元素获得的合金被称为镁锂（Mg-Li）合金，其密度一般为1.35～1.65 g/cm3，此密度约为钢铁的1/5、铝合金的1/2，是名副其实的超轻合金，当锂含量比较高时，镁锂合金的密度甚至低于1.0 g/cm3，被称为能够飘于水上的金属[1]。
镁锂合金材料是通过向镁中添加金属锂，使其具备了低密度、高比刚度、高比强度的优异力学性能。随着锂含量的变化，镁锂合金的组织结构也会发生显著的变化[2]，Mg-Li二元合金的相图如图1所示，当锂含量低于5.7%时，合金为α（Mg）单相组织，其晶体结构为密排六方结构（HCP），当锂含量高于10.3%时，合金为β（Li）单相组织，其晶体结构为体心立方结构（BCC），当锂含量在5.7%～10.3%时，合金为α（Mg）+β（Li）双相组织。
镁锂合金除了超轻特性以外，还具有以下特性[3]：
（1）由于锂的加入一方面能够降低镁晶格的c/a轴比，提高密排六方晶格的对称性，另一方面，锂含量较高时，将出现体心立方晶格的β（Li），因此，镁锂合金的塑性变形能力要明显优于普通的镁合金；
（2）高的比强度和比刚度；
（3）抗高能粒子穿透能力强，电磁屏蔽性能优；
（4）低温力学性能好；
（5）切削加工性能好。
基于上述的镁锂合金特性，镁锂合金在以下几个方面具有很好的应用潜力[4]。
最轻的金属结构材料——镁锂合金
开 发 应 用
稀有金属快报 2002年第10期 17 多芯MgB2/Fe线(带)的制备和传输临界电流 为把MgB2超导体用在像磁体和电缆等的实际应用中，需要开发线带材。当前，制备线带材工艺主要采用粉末装管法(PIT)。粉末装管法常常包括以下工序：把烧制好的MgB2粉，或按化学计量配比混合的镁粉和硼粉装入各种金属管中，拉伸成线材或轧制成带材，随后在900℃~1000℃进行热处理(可选择不同制度)。因为包覆材料要与超导体接触，所以选择包覆材料很重要。所选择的包覆材料应不与镁反应，而且要考虑热膨胀系数的匹配。MgB2的室温线热膨胀系数(8.3×10-6/K)比铌(7.1×10-6/K)钽(6.5×10-6/K)高，比铁(11.8×10-6/K)镍(12.8×10-6/K)低，而铜(16.7×10-6/K)和不锈钢(18×10-6/K)几乎是MgB2的2倍。从热膨胀的角度考虑，用钽和铌作包覆层不太合适，由于MgB2的芯丝不能受到预压应力的作用，因此冷却之后可能产生裂纹。可用的包覆材料有铁，钼，铌，钒，钽，铪，钨等。其中，铁是最好的包覆材料。瑞士日内瓦大学最近报道了他们有关7芯MgB2/Fe (带)的实验结果。实验中使用标准的纯度为98%的商用MgB2粉，因为买来的粉粒比较粗，所以研磨了2h。工艺的整个装粉操作都是在氩气氛保护下进行的。实验结果表明，双轴轧制，及随后在950℃退火的方截面样品具有最高的Jc值，在4.2K，2T磁场下Jc达到1.1×105A/cm2。估计在4.2K，自场下Jc可接近4×105A/cm2。变形方法不同对临界电流密度有很大影响，与一般的孔型轧制相比，双轴轧制可以增加粉芯的密度，因而，使临界电流增加。线材的尺寸大小对传输临界电流的影响不大。 (刘春芳) 最轻的金属结构材料——镁锂合金 镁锂合金是最轻的金属结构材料，密度只有1.30g/cm3~1.65g/cm3，比标准镁合金轻10%~ 30%。这种合金具有一系列优点和特点：单位弹性模量高、抗压屈服极限超出普通镁合金2/3~ 1倍、对缺口不敏感、冲击韧性好、抗弯强度大、机械性能的各向异性不明显、塑性好、容易变形加工、容易焊接成形、比热容量大、导热性低。 根据镁锂合金中锂含量的不同，二元合金及多元合金可有不同的晶体结构、不同的物理机械性能及工艺性能。镁锂合金一般分为3种类型： 1、锂含量小于5.7%的合金，这类合金以锂在镁中的α固溶体为基，具有密排六方结构，无工业用途合金。 2、锂含量为5.7%~10.3%的合金，这类合金具有(α+β)两相组织。 3、锂含量大于10.3%的超轻合金，这类合金的基体为镁与锂的β固溶体，具有体心立方组织。工业合金的锂含量一般要达到15%，代表性牌号有美国的LA141A合金(ρ=1.36g/cm3和俄罗斯的MA18合金ρ=1.48g/cm3)。 镁锂合金的主要合金化添加剂有铝、锌、锰，俄罗斯的镁锂合金还添加有少量的铯，MA21合金还含有4%~5%的镉。镁锂合金的机械性能示于表中。 向镁中加入锂，可显著提高其塑性，降低变形加工温度150℃~300℃，改善塑性变形条件，提高变形速度及变形率。MA21和MA18开 发 应 用
镁锂合金的开发 加工和应用
应用开崖
镁锂合金的开发加工和应用
镁产品主要用于汽车工业。运动件质量 的减少可以降低能源消耗，困此对环境有利。 在欧洲，镁曾经一度流行 １９３４年，德国大 众汽车公司将镁铸件用于发动机结构和驱动 系统，二战后，１９４９年，德国大众汽车公司 再次开始生产镁零件。１９７１年，大众汽车公司 的镁使用量达到高峰（４２０００ｆｆａ） １９９５年大众 汽车公司再次使用镁，用于帕萨特、奥迪Ａ４、 奥迪Ａ６的齿轮箱 从长远看，每辆轿车用镁 量将达到１００ 。预计２００５年，轿车用镁量 将增加２５％：２０１０年再增加３Ｏ％，其它需要 轻合金的工业也使用镁，如：体育休闲领域 目前，镁结构材料主要通过压模铸造和 铸造方法制各。其它加工方法也越来越重要， 特别是轧制、挤压、锻造等成型工艺，可以有 效地生产零部件、异型件、半成品。 标准合金是ＭｇＡＩＺｎ和ＭｇＡ１Ｍｎ基的结 构材料，通过五摸铸造方法制各，添加硅或稀 ±元素可以改变其蠕变性能和高温ｌ生能，如细 结晶的锆合金系可进行砂模铸造、冷铸造和成 型工艺。添加相对贵重的稀土元素如铱、银可 以将其使用温度提高至３００℃，用于航天和汽 车发动机部件。降低密度的ＭｇＬｉ合金的 究， 主要是为了提高成型性能。其它台金研究包括 镁锂合金中诸如：钙、钪、钇金属问化合物相 的产生，这样可以提高热强度性能。由于镁锂 合金良好的高温性能、刚性和摩擦性能，它将 以新的纤维和颗粒增强复合材料应用于高应 力领域。非晶态镁材料还处于初期发展阶段， 材料性能范围扩大，直接与新的加工技术有 关．除传统的加工工艺外，特殊镁材料可使用 像铸造触变技术、快速成型、喷射成型和在线 合金化的惰性颗粒弥散的雾化技术 此外，材 料泡沫化是生产超轻结构材料的一种方法。 Ｍｇ—ｔｉ合金系德国汉诺威大学材料科 学学院主要进行ＭｇＬｉ合金的开发。作为结构 材料要求镁合金的性能范围必须拓宽。一方面 对超轻的体心立方的ＭｇＬｉ４０ａｔ％．密度为 １．３ｇ／ｃｍ３进行了仔细研究。它的高比强度和高 延展性被其相对较低的耐热、耐蠕变性能所抵 消：另一方面对六方的Ｍｇ“ｌ２ａｔ％和添加其它 元素的合：金性能进行了仔细分析。锂对六方镁 晶格的影响通过冲击强度实验进行分析。其延 展｝生提高矶理是锂代替镁原子，减小了品格轴 比ｃ／ａ值。原子间距的减小降低了六方品格沿 斜面ｆ１０１０｝晶面系，（２ｌ１Ｏ）晶向簇滑动的动 能 该滑移在室温下即可发生 当然，高变形 主要是由基面｛０００ｌ｝、（２ｌ１０）进行的。 通过对ＭｇＬｉ１２ａｆｆ￣（ｘＭｇＬｉ４ｍａｓｓ％）与 柜应标准台金的机械性能比较可以看出，低沉 淀相的ＭｇＬｉ固溶合金显著提高了其延展性， 尽管其是六方结构，该合金系的机械性能的进 一步优化已能满足很大应用领域的需求。 Ｍｇ—Ｉ－ｉ合金系的腐蚀控制镁合金的应 用因为其耐蚀性差而受限制。锂、铝、镓对耐 腐蚀有着特殊的机理和作用。ＭｇＬｉ１２ａｔ％可获 得高的耐蚀性能。铝和镓分别提高其在大气和 人工海水中的耐蚀性能。选择锂是困为其在所 有ＤＨ值一，不与ＯＨ。发生反应。这样就可以 在表面形成Ｍｇ（ＯＨ）２层，由Ｌｉ增加ｐＨ值采 提高稳定性选择的实验合金为ｈｃｐＭｇ、 ＭｇＬｉ８ａｔ＂Ａ．、Ｍｅ，Ｌｉｌ２ａ 和ｂｃｃＭｇＬｉ４ＯａＰ／ｏ。实 验结果表明，在加少量锂范围内，其腐蚀速度 随锂含量升高而降低。但大量添加锂，如 ＭｇＬｉ４Ｏａｔ％腐蚀加快 ｈｃｐ ＭｇＬｉｌ２ａｔ％腐蚀速度在２００ｈ之后． 仅为镁的一半 但是考虑腐蚀速度的同时必；页 考虑Ｍｇ（ＯＨ）：的附着强度，还必须添加其它 稀有金属快报２００２年第５期ｌｌ
超轻镁锂基合金及其复合材料研究进展
超轻镁锂基合金
及其复合材料研究进展
■文／张鑫吴国清 北京航空航天大学材料科学与工程学院
１９１０年，德国Ｍａｓｉｎｇ Ｇ…在研究
（Ｌｉ）、钠（Ｎａ）、钾（Ｋ）与镁（Ｍｇ）相互作
用时，发现镁锂（Ｍｇ—Ｌｉ）发生有趣的
相结构转变，当锂的质量分数（【１）（Ｌｉ））超 过５．７％时，在Ｍｇ—Ｌｉ合金中同时出现
密排六方结构的基体相和另一种体心
立方结构相。１９３４－１９３６年，美、德、英３
国研究者 证实了这一结构转变，并确
定是密排六方结构向体心立方结构转
变，还测定了Ｍｇ—Ｌｉ二元相图，为以后
的研究奠定了基础。１９５４年，Ｆｒｅｅｔｈ等
人Ｌ３ 提出了完整的Ｍｇ—Ｌｉ平衡相图（见
图１）。由图１可知，随着锂含量的增加，
Ｍｇ—Ｌｉ合金可分为ａ相合金（∞（Ｌｉ）＜
５．５￣／０）、０【＋ｐ两相合金（５．５％＜ＣＯ（Ｌｉ）＜１１０／０）
和ｐ相合氢（｜）（Ｌｉ）＞１ｌｏ／０）。其中仅为锂固
溶于镁中的固溶体，具有密排六方晶
目Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 体结构；Ｄ为镁固溶于锂中的固溶体， 具有体心立方结构。由于体心立方结
构的出现，使Ｍｇ—Ｌｉ合金的塑性得到
极大改善，改变了镁合金因滑移系少， 加工成型困难的缺点，从而引起各国
研究者的极大兴趣。
一 Ｍｇ－Ｌｉ合金的研究进展 Ｍｇ—Ｌｉ合金密度只有１．３０～
１．６５ｇ／ｃｍ ，比一股的工业镁合金低
１５％～２５％，比铍合金低２５％～３０％，
比铝合金低５０％。Ｍｇ—Ｌｉ合金除具有
密度低、塑性好、比强度和比模量高、
低温韧性好、对缺口不敏感、各向异性
不明显等特性外，还具有镁合金良好
的阻尼减震性、导热性、电磁屏蔽性、
抗高能粒子穿透等优点，在航空、航 天、汽车、现代兵器以及电子产品等领 域具有广阔的应用前景［ 。
二战爆发推动了镁在宇航领域的
发展，美国Ｂａｔｔｌｅ研究所、海军部、宇
航局开始大规模合作研制Ｍｇ—Ｌｉ合
镁锂合金MSDS
镁锂合金MSDS
毛宏玉 Section 1. Chemical Product & Company Information 第一项：化学品名称和制造商信息
材料名称：镁锂合金(magnesium-lithium alloy )它是结构金属材料中密度最低者，在镁金
属中添加锂元素，一般含锂8-16 %，其比重介于1.4-1.6，较一般镁合金的1.8更低，比
塑料密度略高，强度200～340MPa，弹性模量45GPa。阻尼大，是铝合金的十几倍，也
就是能吸收冲击能量，减震降噪效果好.在屏蔽电磁干扰方面,镁锂合金也有突出表现。镁
锂合金材料除超轻外，最大特色为可常温塑性加工成型，如轧延、冲压等技术大量生产，
也可铸造成型和半固态注塑成型。
制造商：西安**超轻材料有限公司
地 址： 西安市阎良区国家航空****号
Section 2. Composition/Information on Ingredients 第二项：化学组成信息
项目
牌号 化学成分（wt%）
Mg Li Al Zn Si Cu
Fe
LA43M 余量 3.5-4.5 2.5-3.5 2.5-3.5 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.05
LA103Z 余量 9.5-10.5 2.5-3.5 2.5-3.5 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.05
LA103M 余量 9.5-10.5 2.5-3.5 0.8-1.8 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.05
LZ91 余量 8.5-9.8 0 0.8-1.5 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.05
注：1.仅对表中提到的具体元素进行分析，若怀疑其它元素存在或显示含量大于规定范围，应进一步分析
以确认这些成分是否超过规定范围。
Section 3. Hazards Identification 第三项：危害信息
镁在人体中含量约为体重的0.05%，它是生物必需的营养元素之一。人体对锂的饮食需要
量约为60～100 μg/d，大量吸入镁锂合金颗粒会造成人体轻微不适，产品片刺伤可能引发
铝合金、镁合金在航天中的应用 2
铝合金、镁合金在航天器上的应用实例
摘 要： 随着中国航天事业的发展，未来的航天器将朝着长寿命、大型化、高承载、轻量化、高尺寸稳定性，以及耐受复杂空间环境等方向发展，其中离不开材料的发展。本文就其中应用比较广泛的铝合金和镁合金，对其在航天器中的应用实例进行介绍以及关键的制造技术与发展方向进行介绍。
关键词：铝合金 镁合金 应用 制造技术
1 引言
我国航天事业的未来发展重点包括：载人航天空间站、高分辨率对地观测系统、深空探测、空间科学、在轨服务平台和激光通信卫星等。这些航天器的特点是：长期在轨运行、体积和质量大幅增加、需要配置更多的载荷和燃料、承受更加复杂的空间环境，对形状精度及其保持能力要求更高。为满足上述需求，航天器未来将朝着长寿命、大型化、高承载、轻量化、高尺寸稳定性，以及耐受复杂空间环境等方向发展。[1]
长寿命：空间站在轨密封寿命达10年，通信卫星在轨寿命要求12年-15年，星际探测器可能在轨道上飞行20年以上。
大型化：空间站大型舱体结构直径将超过4m，长度15m以上；卫星外包络直径4m以上；未来载人登月舱体外包络直径达到10m以上；另外，对于空间站、大型通信卫星等航天器，需配置大型可展结构，如大型太阳翼、天线等。
高承载： 空间站结构承载能力将达25t ；“十二五”期间，大型卫星结构承载能力9t，未来可能达15t；载人登月着陆器承载能力达30t以上。
轻量化：结构占航天器总质量的百分比下降到6%甚至更低。
高尺寸稳定性：要求航天器结构单向变形比达到0.1ppm/℃量级，以减小在空间交变热环境对载荷指向精度的影响。[2]
耐受复杂空间环境：如耐受月面-180℃-150℃的交变温度环境、其它行星表面环境，以及再入和行星进入热环境等。
而材料是形成航天器结构的基础，航天器结构的性能和可靠性在很大程度上取决于材料的性能。为了降低航天器结构的重量、提高结构的刚度和强度，虽然可以在结构型式、尺寸等方面进行各种设计和改进，但最直接和最有效的途径是选择密度小而弹性模量和强度高的材料。[3]