镁锂合金的研究

先看一组镁铝合金的视频，以下内容为镁锂合金，不一样的

Mg 是密排六方 (hcp) 结构金属，滑移系少，只有(0001) 一组滑移面，加工困难，这限制了它的应用。Mg 中以 Li 为主要添加元素， 即构成了 Mg-Li 合金。这种合金由于轴比 c/a 的降低， 在基面滑移系{0001} 〈 1120 〉 之外增加一个棱面滑 移系 {1011}〈 1120 〉， 晶体结构还可从 hcp 结构转变为体心立方结构（ bcc 结构， β 相），合金延展性提高、塑性成形能力增强，使其可加工性提高。Mg-Li 合金还是无毒金属材料中最轻的合金， 其密度低于水。此外 Mg-Li系合金还具有弹性模量高，抗压屈服强度高，各向异性不明显，塑性和冲击韧性好，对缺口不敏感和良好的阻尼性能， 抗高能粒子穿透能力强等一系列的优点。因此， Mg-Li 合金不仅能满足航空、航天工业对轻质材料的需求，而且可减小振动，降低宇宙射线对电子仪器设备的干扰，在航空、航天、电子、军事等领域将具有广阔的应用前景。

Mg-Li合金发展历史

1910 年，德国学者 Mising 等发现 Mg 和 Li 用时的相结构转变。1934～1936年，美、德、英三国学者相继测定了Mg-Li 二元相图。随后从 20 世纪 40年代起，美国开始大规模研制Mg-Li 合金，目标是开发出密度低、比强度高、比刚度高、成形性良好和各向异性不明显的超轻镁合金。随后美国成功开发了 LAZ933 合金，而后研制出了 LA141合金。20 世纪 80 年代， 美国开始尝试 Mg-Li 合金的制备新工艺及 Mg-Li 基复合材料的制备， 并制备出 Mg-Li/B₄C 复合材料。20 世纪 60 年代中期至 90 年代，前苏联开发出了 MA18、MA21等超轻Mg-Li 合金。日本于 20 世纪 80 年代开始大规模研制 Mg-Li 合金。Mg-Li 合金研究伊始，其目标就是发展在军事及航空、航天领域的应用。20 世纪 80 年代以来，随着要求宇航器件减重、兵器轻量化的发展，对超轻镁合金材料的要求更加迫切，美国、欧洲、俄罗斯、日本等国对Mg-Li 合金及 Mg-Li 基复合材料的研制越来越重视。我国对 Mg-Li 合金也进行了一些基础性研究工作， 而且 2010 年国内首条 Mg-Li合金生产线也已投产。

Mg-Li 二元相图

图 1 为 Mg-Li二元相图。Mg-Li 合金中根据 Li 含量及结构的不同，一般分为3种类型：①Li<5.7%，这类合金由 Li在 Mg中的固溶体

图 1 镁锂合金的二元相图

α相组成，具有密排六方(hcp)结构，这种合金由于轴比 c/a 减小，滑移面增加了{1010}或{1011}，因此，尽管合金仍然为 hcp结构，其可加工性提高。② 5.7%<Li<10.3%，这类合金具有(α+β)两相组织，其中β相是 Mg在 Li中的固溶体，为体心立方(bcc)结构，具有较高的塑性。③Li含量大于10.3%，这类合金全部由β相组成。

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合金化、 热处理及变形处理对镁锂合金组织及性能的影响

 Mg-Li 合金

向纯 Mg 中加入 Li 元素，即构成了最简单的二元 Mg-Li 合金，目前主要对这种合金的加工过程进行了少量研究。Mg-7.83Li合金在 573K 时有明显的超塑性，伸长率达到 850%，晶粒长大；在的变形机制图对比表明， 合金超塑性变形机制为晶格扩散控制的位错调节的晶界滑移。

 Mg-Li-Al 合金

向 Mg-Li 合金中添加 Al，将提高合金的硬度及强度。随 Li含量的降低及Al 含量的增加，合金硬度增加。表 1 列出了部分合金的力学性能。研究表明，Ce可细化不同锂含量(8%～16%)的 Mg-Li-Al合金。Ce 的加入提高了合金的强度和耐热性能， 大量 Al₂Ce的存在，易割裂基体，使强度降低；分布在晶界附近的稀土化合物改变了合金的断裂方式。在晶粒细化和 β相变形的协同作用下，挤压态的 Mg-8Li-1Al-1Ce镁合金的力学性能合金比铸态合金明显提高，屈服强度由 141MPa 提高到 175MPa， 伸长率由 16%提高到 33%。Nd可以使Mg-11Li-1Al 合金晶粒细化，并且均匀化，合金硬度增大，加入 3.0%左右的 Nd，晶粒细化效果最佳，硬度最高。

573 K 和 1.67×10^-3s^-1 条件下制备的Mg-8.42Li合金伸长率达到 920%，组织中的空洞较少，且在变形区中随机而孤立地分布。观察断裂形貌可发现，Mg-8.42Li合金Ca 以及 Ca 与电磁搅拌复合作用都能改善 Mg-8Li-3Al 合金的凝固组织和力学性能；当铸态合金中 Ca含量为0.5%时，合金中β相细小均匀，室温抗拉强度和伸长率分别达到 188.93MPa和 11.35%；施加 80V电磁场电压以及加入0.5%Ca 后，晶粒组织均匀有序，布氏硬度、抗拉强度和伸长率分别为 67.5HB、203.8MPa 和 7.7%。

Al-5Ti-1B 中间合金是铝合金中常用的高效的晶粒细化剂，它同样可使 Mg-14Li-1Al(LA141)合金晶粒细化，200℃时冷轧 LA141合金板组织为均匀细小等轴晶，且具有较高的埃里克森值(IE=10)，具有较好的成形性。这是由于 TiB₂、AlB₂与β-Li 有很好的晶体学匹配，均有可能成为异质形核核心，从而起了晶粒细化的作用。

随稀土添加量的增加，Mg-5Li-3Al-2Zn(LAZ532) 合金中，铝稀土相逐渐增加，AlLi 相减少。经热处理后，添加量为 1%稀土的 LAZ532合金达到最好的力学性能。力学性能的差异与第二相的形态分布和固溶强化直接有关， 合金的断裂模式主要是脆性断裂， 随着稀土的添加断裂方式向准解理断裂方式转变。Yan等研究了冷轧后的Mg-8Li-2Al-2RE合金板材，沿轧制方向伸长率为35%，沿着与轧制方向成 45°方向伸长率为 21%， 这项研究成果具有非常高的应用价值，值得继续关注。

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 Mg-Li-Zn 合金

Mg-Li-Zn 合金为时效硬化型合金， 由于 Li 含量及 Zn含量的差异，合金中第二相析出行为不同，导致其时效硬化行为的差异。Mg-9Li-1Zn 合金适宜的退火温度为 280～300℃，退火温度过高会出现晶粒长大， 表面脱锂等现象，300℃退火 60min 后，充分完成再结晶软化的合金在后续冷轧时， 总变形率可达 70%。

Chen等研究了 Mg-7.8Li-4.6Zn-0.96Ce-0.85Y0.30Zr合金在260 ℃时的挤压过程(σ_0.2= 256 MPa， σ_b = 260MPa，δ=14%)。在温度为 250～450℃和应变速率范围为 0.001～10s^-1环境下， 进行了热压缩试验， 从试验得到流变应力的数据被用于变形机制图的研究。稀土金属间化合物和α相会加速β相中的动态再结晶过程，较软的β相减缓了α相中的动态再晶过程。

Mg-Li-RE 合金

稀土元素可分为Sc、轻稀土(La 至 Eu，共 7 种) 和重稀土(Y、Gd 至 Lu，共 9 种)3 部分。轻稀土在镁中固溶度小于 5%， 钪和重稀土在镁中固溶度大于 10%。稀土金属熔点高，与镁、锂熔点相差大，合金熔炼困难，故早期研究较少。随着熔炼技术的改进，与稀土有关的镁锂合金研究开始增多。

Sc 会使 Mg-Li 合金的晶粒细化、 组织均匀，经 200℃× 9h 时效处理后，Mg-3Li-1Sc合金的硬度更高，综合力学性能得到提高。MgSc 点状相在基体上均匀地弥散析出和晶粒细化是合金强化的主要原因。固溶处理可增大 Mg-3.04Li-0.77Sc合金的最大应变，而时效处理可显著提高该合金的动态屈服强度，在高应变率冲击载荷下，固溶及固溶 + 时效态 Mg-3.04Li-0.77Sc合金产生了明显的剪切变形局部化现象。在应变率 1350～2400s^-1内，热轧及退火处理后，Mg-3Li-1Sc 合金的动态屈服强度随应变率增加而明显提高，且合金的动态变形行为呈现为应变率强化效应。当应变率进一步提高至 2800 s^-1 时，合金的动态变形行为又表现为应变率弱化效应。

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铸态 Mg-7.28Li-8.02Y合金主要由β(Li)相基体和α(Mg)相以及沿晶分布呈网状结构的γ(Mg₂₄Y₅) 相组成。对铸态 Mg-7.28Li-8.02Y做固溶热处理后发现，随着淬火温度由 300℃升高至 500℃，Mg 及 γ(Mg₂₄Y₅)相在β相中的固溶程度增加，合金淬火硬度增加，γ(Mg₂₄Y₅)相呈圆球状均匀分布，其共同作用使合金抗拉强度大幅度提高；但 150℃时效后，晶粒长大和长时间时效使 Mg在β相中固溶度降低，α 相沿β相晶界析出，导致合金硬度、强度及塑性有所下降。镁锂合金新的制备方法也在不断出现， 如在 LiCl-KCl-MgCl2电解质中加入Pr₆O₁₁， 电沉积 Mg-Li-Pr合金，分析表明，Pr在合金中均匀分布，在合金中镨以Mg₃Pr的形式存在，随着镨含量的增加，Mg-Li 合金由α相转变为β相，同时晶粒的细化更加明显，力学性能得到提高。

END

尽管现阶段镁锂合金在强度和耐腐蚀性能、制备工艺、合金成本、市场空间上还存在一些问题，但作为具有优良塑性的轻质合金，在航空航天、电子、军工上已显示出无可匹敌的优越性能。近年来，通过合金化、快速凝固、 制备复合材料等领域的深入研究，合金的综合性能及加工技术不断提高，使合金的生产成本下降。镁锂合金今后的研究重点是以合金化为主，兼顾制备技术和材料复合技术的研究方向。我国是镁资源大国，同时也是航空航天、汽车和通讯产品巨大的潜在市场，如果充分利用镁锂合金塑性较高的特性，提高其在室温变形下的成形性能，必然能使镁锂合金的应用和开发进入良性循环的轨道，因此研究镁锂合金具有独特的优势和极大地社会效益和经济效益。

参考原文 :仲志国 ,卢志文 ,赵亚忠 ——镁锂合金的研究进展《材料热处理技术》

原文始发于微信公众号（深圳市兴荣精密机械有限公司）：镁锂合金的研究