超轻镁锂合金的研究现状与发展趋势

圣冬冬，施颖杰，王茜茜，许 丽，孙 瑜

(上海航天信息研究所，上海 201109)

镁锂合金是目前世界上最轻的合金结构材料，密度0.95 g/cm3～1.65 g/cm3，也被称为超轻合金。镁锂合金具有极高的比刚度、比强度和优良的抗震性能以及抗高能粒子穿透能力，另外镁锂合金的密度远远小于航空用材铝锂合金的密度，因此镁锂合金开发出来后，已在汽车、电子产业、医疗器械、兵器工业、核工业、航空、航天等领域广泛应用，成为具有巨大应用潜力的结构材料之一[1]。

1 镁锂合金的国外发展现状

国外早在20世纪初就已经开始研究镁锂合金的结构，镁锂合金随着组织的改变，塑性变形能力显著提高，密度大大降低，这些研究成果为后来镁锂合金的工程应用开创了一个新的方向[2]。20世纪60年代以后，航天技术蓬勃发展，航天器对轻量化材料的需求与日俱增，美国和苏联开始将镁锂合金应用在航天器上，以降低运载火箭的发射重量和成本，进一步推动了镁锂合金的研究热潮。目前美国、俄罗斯、日本和德国等国家在镁锂合金领域都已经形成了完善的技术研发体系和商业应用体系。

1.1 美国

美国从1942年开始大规模研制镁锂合金，成功开发了LAZ933镁锂合金，并将其用于军事用途。此后美国巴特尔研究所开始了大规模的镁锂合金的研制工作，熔铸批次达1 700余次，研究目标是开发出密度低、比强度高、比刚度高、塑性好的超轻镁锂合金。1957年，美国陆军弹道导弹部门与巴特尔研究所合作，研制出了商业LA141镁锂合金(Mg-14Li-1Al，密度1.35 g/cm3，抗拉强度130 N/mm2，伸长率12%，杨氏模量42.7 GPa)，并将其纳入航空标准AMS4386。1980年美国陆军在M113布拉德利装甲运兵车中采用镁锂合金底盘，大大降低了整车重量。另外美国航空航天局在土星-5运载火箭单机产品、星载计算机外壳等型号研制中都曾采用了镁锂合金。

在镁锂合金生产方面，美国近年来也加大了资金投入和产出，2020年5月美国镁业公司位于犹他州罗利的工厂建设基本完成，未来美国镁业公司的镁产品年产能将达到63 500 t，其中包含镁锭及镁锂合金，提高了美国在镁锂合金生产方面的竞争能力[3]。

1.2 苏联/俄罗斯

苏联也对镁锂合金进行过比较全面的研究，20世纪60年代中期至80年代末期，苏联相继开发出了可锻造、可焊接的MA21镁锂合金和MA18等超轻镁锂合金，并制出了强度与塑性较好、组织稳定的镁锂合金零部件，成功应用于航天飞机和宇宙飞船上，镁锂合金的应用使苏联航天器的减重效果非常明显。

苏联解体后俄罗斯对含多种合金元素及稀土元素的镁锂合金的制备做了很多研究，积累了大量的基础数据。俄罗斯目前在镁锂铝系和镁锂硅系多元合金领域开展了长期研究，制备的镁锂合金强度显著提高[4]。

1.3 日本

日本于20世纪80年代开始大规模研制镁锂合金，日本电子产业高度发达，对轻金属的需求旺盛，这进一步推动了日本镁锂合金技术的发展。日本早期的研究重点在镁锂二元合金和三元合金，内容包括镁锂合金的热处理和时效行为、合金化元素的影响和超塑性等，也取得相应成果。1998年日本国立大阪大学的Saito教授首次提出采用积叠轧技术制备高韧性合金，可以显著提高镁锂合金的综合力学性能。

2018年11月，富士通在日本发布了最新款的“LIFEBOOK UH系列”笔记本。相比起2018年上半年的版本，此次亮相的新款UH系列笔记本最轻款再次减重，其中UH-X C3仅重698 g，为13.3英寸型号中世界最轻，A/C/D件都采用的镁锂合金材料。

近年来，日本在镁锂合金领域的研究主要在半固态加工成形、合金等径角挤压(ECAE)变形等几个方面。日本三德(Santoku)公司成功于开发了一种镁锂合金专用的铸造技术，并拥有该项专利。三德公司花费了3年时间研究镁锂合金在实际应用中的耐用性，评估的样品超过300件，每次都变换铸模中混合的熔铸成分以及温度。之后又花了3年时间完成了批量生产的方法。为了降低镁锂合金价格，三德公司还需要提高产能[5]。

1.4 其他国家

波兰Bielsko-Biala大学建造了一种镁锂合金试验站，用于制造镁锂合金。考虑到这些合金的高反应活性，熔化过程和铸造必须在熔化坩埚和铸造腔中加入受控的保护气体。电阻炉的功率为1.5 kW，坩埚中使用的Mg合金大约为3 kg。保护气体是氩气和FS6的混合气体。坩埚中温度控制的精度稳定在正负3 ℃。

此外，德国也在镁锂合金领域开展了长期研究，德国科学家最早发现了镁和锂的相结构转变。德国在汽车工业、医疗器械等领域已经大规模使用了镁锂合金。其他一些国家，如印度、加拿大、法国等国家不同的时期也对镁锂合金进行跟踪研究或报道[6]。

目前国外在镁锂合金领域的研究工作主要集中在镁锂合金的相组成和相结构的表征、Mg-Li基复合材料的组织及性能研究、Mg-Li基合金的变形行为和变形机制以及Mg-Li合金的超塑性变形机制。

2 镁锂合金的国内发展现状

与国外相比，我国对镁锂合金的研究起步相对较晚，20世纪90年代起对镁锂合金进行研究。虽然我国镁资源占全球60%以上，原镁的产量占全球70%以上。但由于国外技术封锁，镁锂合金的应用在国内长期属于空白，所需要的高端镁锂合金也多从日本、德国等发达国家进口。2000年以后，经过国内高校、科研院所和生产企业的共同努力，我国在镁锂合金领域的技术研发取得了快速进步。2016年我国发射的高分辨率微纳卫星结构件，以及2018年的发射“通信技术试验卫星三号”预埋件、支架和部分机箱机壳等部位都已成功使用镁锂合金，使得整个卫星减重约173 kg，大大地提高了卫星的有效载荷量[7]。

目前，我国已基本掌握了制备和加工镁锂合金的关键技术，并已获得了不同尺寸的棒材、板材及角型材等，其中板材的最小厚度能达到0.20 mm，这些材料有望在需要减轻质量的装置上获得应用。

在镁锂合金的产业化发展方面，我国也取得了重大进展。2010年9月17日国内首条年产30 t镁锂合金生产线在陕西阎良航空产业基地西安四方超轻材料有限公司正式投产，打破了欧美国家对我国镁锂合金的禁售和技术保密。2012年四方超轻材料有限公司开始与上海航天技术研究院开展合作，研究镁锂合金在航天器中的应用。2014年4月四方超轻材料有限公司通过上海航天技术研究院的审核，成为合格供应方，标志着西安四方超轻材料有限公司的镁锂合金材料正式从科研试验阶段走向规模化生产阶段，可以在中国航天领域发挥重要作用。2015年9月25日，应用了四方公司自主研制生产的新型镁锂合金材料的“浦江一号”卫星成功发射，这是我国首次在卫星上应用这一当今世界最轻的金属结构材料[8]。

目前西安四方超轻材料有限公司制定出我国第一份镁锂合金国家标准—《镁锂合金铸锭》，填补了我国镁锂合金领域的行业空白，并已建成年产100 t生产线。西安四方超轻材料有限公司拥有自主知识产权的三个牌号超轻镁锂合金MBLS4A-250、MBLS10A-200和MBLS10B-200，总体技术处于国内领先、国际先进水平。图1为四方公司生产的密度为0.98 g/cm3的镁锂合金铸锭。

图1 四方公司生产的镁锂合金铸锭Fig.1 Mg-Li alloy billet produced by Sifang Company

表1为四方公司镁锂合金的牌号和性能。

表1 四方公司镁锂合金的牌号和性能Table 1 The Mg-Li alloy designations and properties of Sifang Company

中铝郑州有色金属研究院有限公司(原中国铝业股份有限公司郑州研究院)作为我国轻金属领域唯一的大型科研院所，具有完善的镁锂合金熔铸-挤压-轧制-精密加工-表面处理-性能检测等生产技术及检验设备，研制生产出了一系列不同密度和强度的超轻镁锂合金，其中最轻的镁锂合金可漂浮在水面上，如图2所示。中铝郑州有色金属研究院有限公司在国内最先实现了镁锂合金的产业化，首次向国内用户提供镁锂合金的挤压材与轧制板材。中铝郑州有色金属研究院有限公司拥有9个实验室和9条中试生产线，研究与生产设备近200台套，镁锂合金产量占世界产量的60%以上，占全国产量的90%以上[9]。

图2 可浮在水上的镁锂合金Fig.2 Mg-Li alloy floatable on water

中铝郑州有色金属研究院有限公司生产的镁锂合金牌号及性能见表2。

表2 中铝集团镁锂合金的牌号和性能Table 2 The Mg-Li alloy designations and properties of Chinalco

目前，中铝郑州有色金属研究院有限公司通过真空熔炼技术批量生产大规模镁锂合金，开发的镁锂合金材料主要有铸锭、挤压宽板、轧制薄板、冲压用镁锂合金薄板，以及大型锻件等。

3 镁锂合金发展面临的问题

镁锂合金虽然具有其他合金无可比拟的低密度、高比强度、高比刚度、易切削加工、塑性好、低温韧性好等优点，但是镁很容易氧化，锂的耐腐蚀性能非常差，因此两种材料混合产生的合金稳定性非常差，如图3所示。镁锂合金在地球上制作完成后8 h内开始氧化，24 h后便不可再用，这就限制了镁锂合金的应用，成为镁锂合金发展必须解决的问题[10]。

图3 表面氧化以及刮去氧化层后的AZ31镁合金Fig.3 AZ31 Mg-Li alloy after surface oxidation and scraping off the oxide layer

镁锂合金除了具有轻量化的特性外，还可以在室温下压制成形。这也是汽车制造商和电子器件制造商对镁锂合金青睐的一个原因。但目前镁锂合金面临的一个问题是价格昂贵。镁锂合金的价格是常规镁合金价格的2倍，即使对于像手机以及类似的大型零售业模式来说价格仍然显得过于昂贵。

4 镁锂合金的发展趋势

虽然镁锂合金在加工性能、强度和硬度以及高的比模量、比强度等方面具有明显的优势，但镁锂合金本身还存在一些缺点。锂在镁中的固溶度不随温度而变化。另外，对于w(Li)超过10.2%的体心立方结构镁锂合金，在室温下即可发生蠕变。此外，镁锂合金的耐蚀性差。因此，镁锂合金要作为结构材料，必须对其改进，未来镁锂合金的发展趋势主要体现在以下几个方面。

4.1 添加合金元素进行多元素合金化

镁锂二元合金强度较低，一般不超过120 N/mm2，因此一般均采用包括Al、Zn等在内的合金元素进一步合金化来实现强化。研究表明，Al元素对镁锂合金有明显的强化作用，Zn元素对镁锂合金也有相似的强化作用，但考虑到要求合金的密度低，所以镁锂合金中Zn元素的含量不宜过高。另外，稀土元素也是镁锂合金的强化元素，其中Y元素不仅可以实现固溶强化，还会与Mg形成Mg24Y5强化相，且该相经热处理可实现弥散强化，可提高镁锂合金的蠕变抗力。

4.2 开发快速凝固组织细化的强化合金

快速凝固是一种新型的金属材料制备技术，在合金的凝固过程中由于冷却速率很大，使得合金的成分及组织分布更加均匀，同时由于冷却速率大，会导致更高的过冷度，增加核胚的数量，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件性能也就越高。利用快速凝固技术制备高强度的镁锂合金，可以进一步提高镁锂合金的力学性能。

4.3 发展镁锂基复合材料

与基体合金相比，镁锂基复合材料不仅可保留基体合金的导电、导热及优良的冷、热加工性能，而且将具有更高的比刚度和比强度，较好的耐磨性、耐高温性能，及良好的尺寸稳定性，因此受到航天、航空、军事、兵器等部门的广泛关注，并成为轻质高强金属基复合材料研发的新热点。

镁锂基复合材料常用增强体有轻金属和碳纤维材料。单纯的碳纤维的密度只有1.5 g/cm3，大约只有钢的四分之一，镁锂合金碳纤维复合材料通过进行结构设计，可以利用镁锂合金低密度的特性，增加复合材料的强度且不会增加结构的重量。另外，通过复合技术使两种或两种以上物理、化学及力学性能不同的金属材料结合在一起，形成异种镁锂合金复合材料，能够在保证金属材料各自原有特性的基础上，具有单个金属材料所不具有的特殊性能，这也成为未来发展新型功能材料的一种途径[11]。

4.4 研究熔炼工艺与技术

镁锂合金中高活性的金属镁和金属锂都很容易被氧化，目前镁锂合金的熔炼都是在真空状态下进行的，由于镁的熔点较高，通常需要先将镁熔化后再将锂片加入熔体中，以降低锂的挥发损耗，但是现有镁锂合金的熔炼工艺与技术较为复杂，而且很容易导致熔体的氧化和燃烧，存在一定的安全隐患。因此有必要对镁锂合金的熔炼技术进行研究，提高镁锂合金的生产效率和可靠性，实现大规模连续生产。

4.5 研究镁锂合金快速成型技术

镁锂合金目前的制备方式都需要大型设备来生产，这也对镁锂合金的应用带来了极大的限制。快速成型技术是一种以数字模型文件为基础，运用可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。该技术一开始应用于工业领域的模具制造，后用于产品的直接制造。通过对镁锂合金进行快速成型，能够实现无模具化成型，解决传统镁锂合金成型工艺对于复杂结构件适应性差的缺点，这对于发展中国镁锂合金产业具有十分重要的意义。

5 结束语

镁锂合金以其质轻和综合性能优良而被誉为21世纪最具发展潜力的绿色工程材料，其优良的加工变形能力和低的密度在众多领域具有巨大的应用潜力。但镁锂合金因其含有高活性的镁和锂元素，在高温下能与氧气、氮气、水发生剧烈反应，也能与大多数盐类反应，还能与多种金属发生反应或固溶，因此镁锂合金的制备是首先要解决的技术问题。同时镁锂合金的价格相对较高，这对其大规模推广应用也造成了不利影响。未来随着镁锂合金制备技术的成熟以及汽车、航空、航天、军事等领域对超轻材料的应用需求，镁锂合金巨大的应用价值将会更加凸显。