鎂鋰合金是迄今為止密度最小的合金材料。由金屬鎂和金屬鋰為主要元素而制得的鎂鋰合金密度很小，一般為1.35~1.65g/cm3，是所有金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的，它比普通鎂合金輕1/4~1/3，比鋁合金輕1/3~1/2，所以鎂鋰合金也稱(chēng)為超輕合金。鎂鋰合金具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和優(yōu)良的抗振性能及抗高能粒子穿透能力，而且鎂鋰合金的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新型航空用材鋁鋰合金的密度，是航天、航空、兵器工業(yè)、核工業(yè)、汽車(chē)、3C產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域最理想并有巨大的發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)材料之一。隨著世界范圍內(nèi)能源短缺，很多工業(yè)領(lǐng)域?qū)p量化材料和器件的需求極為迫切。鎂合金材料以質(zhì)輕、原料豐富和綜合性能優(yōu)良而被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色工程材料，而鎂鋰合金作為世界上最輕的合金，其優(yōu)良的加工變形能力和低的密度在國(guó)民經(jīng)濟(jì)很多領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮其更大的作用，尤其是在航空航天和電子等工業(yè)領(lǐng)域更加受到人們的青睞。

典型鎂鋰合金組成

鎂鋰合金中的主要合金元素

二元鎂鋰合金力學(xué)性能很差，不能作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在鎂鋰合金中加入適量的合金元素，可以明顯提高合金的各項(xiàng)性能，以求獲得高性能的應(yīng)用合金。在鎂鋰合金中的合金元素主要有三類(lèi)：

①固溶度較大的元素，如Ag、Cd、Zn、Al、In、Tl等，其中研究較多的是Al、Zn、Cd、Ag

②固溶度較小的元素，如Ni、Co、Cu、Ca、Sr、Ba、Ce、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi等

③固溶度很小的元素，如K、Be、B、Cr、Mo、W、V、Ti、Zr、Th、Fe、Mn等

第一類(lèi)元素的強(qiáng)化效果較好，但合金的組織性能穩(wěn)定性較差，在室溫或稍高于室溫時(shí)易產(chǎn)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象；第三類(lèi)元素的強(qiáng)化效果較差，但組織及性能穩(wěn)定性好。到目前為止，研究較多的是第一類(lèi)元素。

合金元素對(duì)鎂鋰合金的影響

1鋁元素的影響

金屬鋁是鎂鋰合金中最主要的合金元素之一。鎂合金中加入鋁可以有效地降低液相線的溫度，單位質(zhì)量的原子數(shù)多，強(qiáng)化效果好，鋁在鎂中的固溶度大，在共晶溫度437℃時(shí)的最大固溶度為12.5%，且隨溫度降低固溶度變化明顯，可進(jìn)行固溶強(qiáng)化。

α+β雙相及β相單相Mg-Li-Al合金強(qiáng)化主要采用彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。現(xiàn)有研究表明，隨著鋁含量的增加，Mg-Li合金的力學(xué)性能逐漸提高，當(dāng)鋁含量大于5％~6％后，再增加鋁含量，合金強(qiáng)度提高并不明顯，而延伸率卻明顯下降，所以在Mg-Li-Al系合金中，鋁含量一般低于5%~6%。

在Mg-Li-Al系合金中，起強(qiáng)化作用的相主要是Mg₁₇Al₁₂、MgLi₂Al等金屬間化合物，而鋰含量高的合金易發(fā)生過(guò)時(shí)效，亞穩(wěn)相MgLi₂Al易轉(zhuǎn)變?yōu)锳lLi，導(dǎo)致性能下降。實(shí)驗(yàn)表明，LA141A在室溫下也會(huì)發(fā)生相的分解，此合金穩(wěn)定性很差，LA141A在高于室溫時(shí)，強(qiáng)度會(huì)降低，在90~150℃時(shí)的最終強(qiáng)度同室溫相比大約降低50%。有研究表明，高鋰合金時(shí)效存在這樣一個(gè)過(guò)程β→MgLi2Al→AlLi。

當(dāng)鎂鋰合金中鋰含量不同時(shí)，鋁對(duì)合金的影響也不一樣，當(dāng)鋁含量達(dá)到3％以上時(shí)，鋁除了固溶于合金基體內(nèi)，還將出現(xiàn)AlI,i相。隨著鋁含量的增加，鎂鋰合金的外縮孔減少，而對(duì)于合金的內(nèi)縮孔，鋰含量在8%~20%的鎂鋰合金隨著鋁含量的增加其內(nèi)縮孔減少，鋰含量在1％~5％時(shí)，鋁含量對(duì)于合金的內(nèi)縮孔量無(wú)影響。對(duì)于鋰含量小于14％的鎂鋰合金，鋁含量越高，合金的氣孔量越多，對(duì)于鋰含量大于16％的鎂鋰合金，鋁的添加有利于減少合金的氣孔。

2 鋅元素的影響

金屬鋅對(duì)鎂鋰合金的強(qiáng)化有一定的影響。鋅的熔點(diǎn)（419.58℃）較低，與鎂的晶體結(jié)構(gòu)（hcp）相同，與鎂原子半徑相差不大，可與鎂形成連續(xù)固溶體。鋅在鎂中有較大固溶度（約為6.2%），隨溫度降低，固溶度減小，而產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。鋅對(duì)鎂鋰合金的塑性損害不大，時(shí)效強(qiáng)化效果明顯，但鋅的加入使合金密度增大，為保持鎂鋰合金的低密度，鋅的含量不宜過(guò)大。另外，鋅能提高合金的應(yīng)力腐蝕敏感性，從而提高合金的疲勞極限。

鋅具有與鋁類(lèi)似的作用，即隨著鋅的增加，合金的強(qiáng)度提高而塑性下降，不同的是單位質(zhì)量的強(qiáng)化效果比鋁要差，若要達(dá)到相同的強(qiáng)化效果則需加大鋅的含量，這樣會(huì)使合金的密度變大。Mg-Li-Zn合金中生成q‘相（MgLi2Zn），經(jīng)時(shí)效處理后q’相發(fā)生粗化并轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的q相（MgLiZn），這種轉(zhuǎn)化過(guò)程與鋁在鎂鋰合金中的變化規(guī)律相同。

由于鋰含量及鋅含量的差異，鎂鋰合金中第二相析出行為不同，導(dǎo)致其時(shí)效硬化行為的差異，圖1為不同成分Mg-Li-Zn合金的時(shí)效硬化行為曲線。由圖可知，當(dāng)合金中鋰含量較小時(shí)，合金由α相組成，時(shí)效時(shí)在基體α相中析出穩(wěn)定相q（MgLiZn）而產(chǎn)生硬化；當(dāng)合金為α+β雙相組織時(shí)，α晶粒基本無(wú)時(shí)效硬化效應(yīng)，β晶粒出現(xiàn)時(shí)效硬化和過(guò)時(shí)效軟化現(xiàn)象；β相單相合金同樣也會(huì)發(fā)生時(shí)效硬化和過(guò)時(shí)效軟化現(xiàn)象，過(guò)時(shí)效軟化是由q‘相轉(zhuǎn)化為q相，在β相中析出造成的。

在鎂鋰合金的合金化過(guò)程中，一般把鋁和鋅同時(shí)作為合金化元素加入，這樣即可充分發(fā)揮鋁和鋅各自的優(yōu)勢(shì)。

圖1 不同成分Mg-Li-Zn合金的時(shí)效硬化行為曲線 

3硅元素的影響

硅是提高鎂鋰合金的高溫強(qiáng)度和蠕變性能的主要元素，加入硅元素后，合金組織中出現(xiàn)高熔點(diǎn)的Mg2Si相，這種相的熔點(diǎn)較高（1085℃），硬度較高（460HV），是提高鎂鋰合金耐熱性能的主要因素。硅在鋰液中的溶解度很小，其固溶度更小，硅在鎂鋰合金中的固溶度很小，主要以化合物的形式存在。美國(guó)研制了Mg-14Li-（0.5~1）Si和Mg-14Li-3Ag-5Zn-2Si耐熱合金，并將該合金用于航天器鑄件，合金的σb為131~138MPa，σs為104MPa，δ為10%。

4銀元素的影響

金屬銀是抑制鎂鋰合金過(guò)時(shí)效的少數(shù)元素之一。銀在鎂中有一定固溶度，隨溫度降低固溶度減小，并析出γ-AgMg相；鋰在銀中的固溶度很小，但銀在鋰中有較大固溶度，隨溫度的降低而減小，并析出AgLi相。銀含量小于10％時(shí)，合金的強(qiáng)度隨銀含量的增加呈線性增加，但增加幅度較小；合金的塑性隨銀含量增加而下降，但下降幅度不大。同時(shí)，含銀合金的組織及性能的穩(wěn)定性好，時(shí)效強(qiáng)化相是兩個(gè)平衡相MgAg-AgLi固溶體，不是亞穩(wěn)相，故穩(wěn)定性較好。

無(wú)論在鎂還是在鋰中，銀均有較大的固溶度，因此，銀在鎂鋰合金中的強(qiáng)化作用主要是固溶強(qiáng)化效果，表1列出了不同銀含量下Mg-12Li合金的力學(xué)性能。由表可以看出，當(dāng)銀含量小于10%時(shí)，合金的強(qiáng)度隨銀含量的增加呈線性增加，但增加幅度較小，只有當(dāng)銀含量大于10％時(shí)，合金的強(qiáng)度才會(huì)隨著銀含量的增加有較大幅度的提高，但單位質(zhì)量的強(qiáng)化效果與鋁和鋅相比較小；鎂鋰合金的塑性隨著銀含量的增加有所下降，但下降幅度不大，即使10%的添加量時(shí)，其塑性也仍處于較高的水平（δ=38%）。此外銀還具有顯著改善Al、Zn、Cd強(qiáng)化Mg-Li合金組織及性能穩(wěn)定性的作用，如在鎂鋰合金中添加1％銀時(shí)可顯著避免或推遲Mg-12Li-7.5Zn及Mg-12Li-18Cd的過(guò)時(shí)效產(chǎn)生。其不足之處是，銀的密度較大，單位質(zhì)量的強(qiáng)化效果較小，銀的價(jià)格高也會(huì)使成本較高，因此，銀一般只作為改善Mg-Li基三元合金組織及性能穩(wěn)定性的用途添加到合金中。

表1 銀含量對(duì)Mg-12Li合金力學(xué)性能的影響

5鋯元素的影響

金屬鋯是很多合金的晶粒細(xì)化劑，而鋯對(duì)鎂鋰合金也有極為顯著的細(xì)化效果，可提高合金的力學(xué)性能，改善鑄態(tài)組織。鋯與鎂具有相同的密排六方結(jié)構(gòu)，且二者點(diǎn)陣錯(cuò)配度很小，在熔體中含有熔點(diǎn)較高的。Zr彌散質(zhì)點(diǎn)可以起異質(zhì)形核的作用。鋯除了可以起到異質(zhì)形核作用，還能減緩合金元素的擴(kuò)散速度，阻止晶粒長(zhǎng)大。當(dāng)鋯加入量較大時(shí)，由于對(duì)元素?cái)U(kuò)散的阻礙作用，在一定程度上會(huì)影響均勻化效果；當(dāng)鋯加入量大時(shí)，元素?cái)U(kuò)散速度顯著降低，合金中的枝晶組織和合金元素在晶界上的富集相未完全溶解，均勻化不充分，使合金的強(qiáng)度和塑性均有所下降。藤谷涉等的研究表明，0~0.2%的鋯可提高M(jìn)g-8Li合金的超塑性，原因是鋯可以細(xì)化再結(jié)晶組織，有利于獲得細(xì)小等軸晶，并且鋯溶質(zhì)原子抑制位錯(cuò)移動(dòng)促使均勻變形，改善合金超塑性。

6錳元素的影響

在鎂鋰合金中添加錳元素并不能大幅度提高合金的抗拉強(qiáng)度，但是能稍微提高屈服強(qiáng)度。錳有與鐵等形成穩(wěn)定化合物的能力，加入少量錳可以除去鎂鋰合金液中的鐵及其他重金屬元素，避免產(chǎn)生有害的金屬間化合物，進(jìn)而提高M(jìn)g-Li-Al合金和Mg-Li-AI-Zn合金的抗海水腐蝕能力，在熔煉過(guò)程中部分有害的金屬間化合物會(huì)分離出來(lái)。此外，錳還可以細(xì)化晶粒，而且本身也起一定的固溶強(qiáng)化作用。鎂鋰合金中錳的含量通常低于1.5%，而在含鋁的鎂鋰合金中，錳的固溶度僅為0.3%。

7鈣元素的影響

鈣在鎂合金中具有晶粒細(xì)化、熔體阻燃、提高合金的高溫蠕變性能等作用，此外還有成本低廉、密度小等優(yōu)點(diǎn)。因此，鈣在鎂鋰合金中作為合金化元素同樣具有很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在Mg-12Li二元合金組織在添加鈣前是β單相組織，添加鈣后，合金組織由初生的枝晶狀β相和分布于β枝晶相間呈層片狀的共晶組織β+CaMg2構(gòu)成，如圖2所示。經(jīng)冷軋加工后，合金內(nèi)的層片狀共晶組織被打亂并且重新分布。合金在表面氧化過(guò)程中，優(yōu)先在β相區(qū)域發(fā)生氧化，而在共晶組織區(qū)域幾乎沒(méi)有氧化現(xiàn)象，這驗(yàn)證了鈣在鎂鋰合金中具有阻燃或防止氧化功能。

圖2 Mg-12Li-5Ca合金顯微組織

在LZ系合金中，加入微量的鈣就能夠顯著細(xì)化晶粒，并提高合金的力學(xué)性能。在LZ92合金中，鈣添加量為0.1％時(shí)，對(duì)合金組織的細(xì)化效果最好，同時(shí)合金的強(qiáng)度和延伸率與未加鈣的LA92相比分別提高19%和6%，繼續(xù)增加鈣含量會(huì)使合金的強(qiáng)度略有提高，但延伸率有所下降。

8稀土元素的影響

鎂鋰合金中加入稀土元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化和形成細(xì)小彌散的金屬間化合物，提高其綜合性能，并可通過(guò)提高析出相的熱穩(wěn)定性，改善合金在較高溫度下的力學(xué)性能，加入稀土元素還可以提高鎂鋰合金的再結(jié)晶溫度，并促使鎂鋰合金的時(shí)效強(qiáng)化。稀土元素在鎂鋰合金中的固溶度均較小，能與鎂形成多種金屬間化合物，表2為輕稀土在鎂中的最大固溶度，表3為鎂和稀土的原子半徑及電負(fù)性。

表2 輕稀土元素在鎂中的最大固溶度

表3 鎂和主要稀土元素的原子半徑和電負(fù)性

1釹（Nd）在鎂鋰合金中的作用

釹在Mg-8Li二元合金中對(duì)于合金的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能沒(méi)有明顯提高這是由于雖然釹在合金中主要以Mg3Nd的形式存在，Mg3Nd的存在對(duì)于合金的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能是一有利因素，但是由于釹的加入使合金中α初生相減少，影響了合金力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能的提高。此外，釹的加入提高了Mg-8Li二元合金的再結(jié)晶溫度，并使合金具有時(shí)效硬化現(xiàn)象（使得α相從過(guò)飽和的β相中析出）。

釹在Mg-Li-Al三元合金中并不以Mg₃Nd相的形式存在，而是以Al₂Nd相的形式存在。此外，釹的存在對(duì)LA141合金具有顯著的晶粒細(xì)化作用，當(dāng)釹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%左右時(shí)，合金的晶粒尺寸最細(xì)小，減小30％（圖3）；在Al₂Ni相的存在和釹對(duì)合金晶粒細(xì)化效果的共同作用下，合金的強(qiáng)度隨著釹含量的增加迅速提高，最高時(shí)提高45%左右（圖4）。

圖3 Nd含量對(duì)LA141合金晶粒尺寸的影響

圖4 Nd含量對(duì)LA141合金強(qiáng)度的影響

2鈰（Ce）在鎂鋰合金中的作用

鈰在Mg-Li-Al三元合金中主要以Al2Ce相的形式存在，在LA81合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鈰后，合金內(nèi)Al₂Ce相呈棒狀均勻分布，經(jīng)擠壓變形后，棒狀A(yù)l₂Ce相被破碎成為短棒狀并沿?cái)D壓方向分布。擠壓后的強(qiáng)度和延伸率均得到提高，抗拉強(qiáng)度由160MPa上升到187MPa，延伸率由16％上升至33％。當(dāng)鈰質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6％時(shí)，Al₂Ce相割裂基體，從而降低合金的力學(xué)性能。

3釔（Y）在鎂鋰合金中的作用

在高釔含量的Mg-Li二元合金中，將形成γ相（Mg₂₄Y₅），在Mg-7.28Li-8.02Y合金中除了存在呈長(zhǎng)條狀分布于基體β相中的α相，還存在沿晶界分布且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的γ相（Mg₂₄Y₅）。此合金在淬火處理過(guò)程中，隨著淬火溫度的升高，實(shí)驗(yàn)合金中的Mg和Mg₂₄Y₅在β相中的固溶度隨之增加，導(dǎo)致硬度增加；同時(shí)溫度的升高使Mg₂₄Y₅的形貌逐漸變?yōu)閳A球狀且均勻分布。因此，固溶度的提高和Mg₂₄Y₅相的球化及均勻分布是導(dǎo)致在升高淬火溫度時(shí)合金硬度和強(qiáng)度提高的原因。淬火態(tài)合金經(jīng)150℃時(shí)效后，會(huì)使合金的強(qiáng)度和塑性均有所下降，分析其原因：一方面，在時(shí)效過(guò)程中合金的晶粒長(zhǎng)大；另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的保溫時(shí)效后Mg在β相中的固溶度降低，α相和Mg₂₄Y₅相沿β相晶界析出，導(dǎo)致合金的強(qiáng)韌性下降。

4鈧（Sc）在鎂鋰合金中的作用

Wu等[1]研究了微量鈧（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%）對(duì)于LAZ1010合金組織和性能的影響。微量鈧的加入使合金只能在室溫下進(jìn)行時(shí)效處理，否則將發(fā)生時(shí)效軟化現(xiàn)象，而不加鈧的合金可要室溫或50℃下進(jìn)行時(shí)效硬化熱處理，如圖5所示。時(shí)效溫度下降的原因可能與時(shí)效過(guò)程中在LAZ1010Sc合金內(nèi)存在Widanstatten型組織的α相有關(guān)（圖6）。微量鈧的加入將促進(jìn)q相（MgAlLi₂相）分解成平衡相AlLi相。合金在加入微量鈧后，力學(xué)性能發(fā)生微小變化，屈服強(qiáng)度由154.8MPa上升到172. 1MPa，抗拉強(qiáng)度由172.5MPa上升到186.4MPa，延伸率由28.9%下降至25.2%。

圖5 不同溫度下合金的時(shí)效曲線

圖6 時(shí)效后合金的顯微組織

[1] Wu R Z,Zhang M L, Wang T. Microstructure characterization and mechanical properties of Mg-9Li-5Al-1Zn-0.6RE alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2007,17（s1A）：s448~s451.