镁-锂合金系列优化材料

镁合金由于密度低，能够有效减小零部件的质量，很早就应用于航空、航天工业。特别是Mg-Li系合金具有很高的比强度、比刚度和塑性，是航空航天领域最具有前途的金属结构材料之一。座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用Mg-Li合金制件。在镁中加入锂元素后其结构和性能发生特殊变化。首先，加入锂可进一步降低镁合金的密度。Mg-Li系合金是迄今为止最轻的金属结构材料，日本已经成功地制备出密度小于水的Mg-Li合金，并应用在航天器上。其次，锂的加入可大大提高合金的塑性，使合金具有优良的冷、热变形能力。虽然Mg-Li合金固溶强化值和加工硬化效率较低，但是其比强度比常用镁合金高。如果再加入适当元素，还可以进一步提高Mg-Li合金的强度。

二元Mg-Li合金的耐蚀性和耐热性能均较差。通过多元微合金化，在Mg-Li合金中加入Mn、Al、Sn、Cd等元素可以有效地改善合金的耐蚀性和耐热性。当Mn的质量分数低于4%时，添加锰能提高Mg-Li合金的耐蚀性，且效果最为显著。Cd、Al、Sn等元素对Mg-Li合金耐蚀性的影响与含量有关。当Cd的质量分数小于4%时，添加Cd可提高合金的耐蚀性，但其质量分数超过4%时则会降低其耐蚀性；而对于Al和Sn，当其质量分数为0.6%～1.0%时，合金耐蚀性随着元素含量的增加而下降；当其质量分数超过1.0%时，其耐蚀性随含量的增加而稍有提高。在Mg-Li合金中添加少量的Al和Ca不但有助于合金表面形成稳定性较高的Mg（OH）2基化合物保护层而提高合金的耐蚀性，而且也能提高合金的延展性和抗蠕变性能。Si、Sb等元素则会显著降低Mg-Li合金的耐蚀性。此外，Mg-Li合金在潮湿大气中的应力腐蚀敏感性很大。Mg-13%Li-Al合金在质量分数为0.01%的NaCl溶液中进行环形应力腐蚀试验时，合金被腐蚀成粉状。因此，在开发Mg-Li系超轻变形镁合金时，必须解决这些问题才能真正发挥其低密度优势。

镁-锂系合金是最有代表性的超轻高比强合金，其密度只有1.35～1.65g/cm³，比一般工业镁合金小15%～25%，比铍合金小25%～30%，比铝合金小50%，而比强度则比常用镁合金高，并且具有良好的冷、热变形能力。锂在镁中有较大的溶解度，在共晶温度（862K）下可达5.5%，但当温度降低时，其溶解度几乎不发生改变，因此，镁-锂合金不存在热处理强化效应。

Mg与Li发生共晶反应后，在合金中会形成体心立方结构的β相（Li）。当合金中Li的质量分数在5.5%以下时，其组织为Li固溶于Mg晶格中形成的α固溶体；当Li的质量分数为5.5%～10.2%时，其组织为α固溶体及不规则的片状β相；当Li的质量分数大于10.2%时，全部由β固溶体组成。β固溶体为体心立方晶格，有比密排六方晶格的α相更高的冷、热变形能力。

镁-锂合金的缺点是化学活性很高，Li易与空气中的氧、氢、氮结合生成稳定化合物。合金的耐蚀性低于一般镁合金，应力腐蚀倾向严重。由于锂对一些杂质特别敏感，尤其是钠，当钠的质量分数超过0.06%时，合金的塑性就急剧下降，给加工过程增加许多困难。另外Mg-Li合金在不太高的温度下具有过时效倾向（由于亚稳定相过渡到稳定相所造成），该系列合金耐蚀性差，还具有应力腐蚀倾向，在潮湿大气中的应力腐蚀敏感性很大，但稳定化处理能够消除合金的应力腐蚀开裂敏感性。镁-锂合金力学性能不高，和其他元素Al、Zn、Si等合金化后可显著提高抗拉强度和屈服强度。

由于镁-锂合金具有一系列特殊优异的性能，国内外对其进行了大量的研究，并成功开发了一系列牌号的合金。如苏联的MA18β型（1.1Li、0.7Al、2Zn、0.3Mn）、HMBla型（5.0Li、5.5Al、0.8Zn、0.5Mn、0.8Sn）、MA21α+β型（8.0Li、5.0Al、1.5RE、0.8Mn、4.0Cd）以及美国的LA41、LS141等。在国内，目前已经开发出的镁-锂系变形镁合金有S402、S403试验合金等。S402合金的主要物理性能参数见表2-40。

表2-40 S402合金的主要物理性能参数

注：1cal=4.1868J。(www.xing528.com)

在室温下，镁-锂系合金具有较好的塑性，但是随着温度的升高，其强度急剧降低。表2-41和表2-42分别为镁-锂系合金的室温力学性能和高温力学性能。在低温下，镁-锂系合金仍具有良好的力学性能，在77～339K范围内无冷脆现象，具有良好的切口韧性。表2-43为S402合金的低温力学性能。

表2-41 镁-锂系合金的室温力学性能

表2-42 镁-锂系合金的高温力学性能

表2-43 S402合金的低温力学性能

镁-锂系合金可以用来生产多种规格的板材、棒材、型材和锻件，主要用作导弹、火箭和宇宙飞船的辅助结构材料及其他要求密度小的材料。镁-锂系合金虽然有较高的比强度和优良的塑性加工能力，但其加工硬化效应小，强度（特别是高温强度）偏低。此外，合金的熔炼铸造比较困难，耐蚀性也比一般镁合金的差，因此必须对镁-锂合金进行全面的研究和改进，以使合金早日得到广泛应用。