9月25日，中國(guó)成功地發(fā)射了“浦江一號(hào)”衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星在用材方面的突出特點(diǎn)是首次應(yīng)用了中國(guó)自主研制與生產(chǎn)的鎂-鋰合金，在中國(guó)發(fā)射的幾十顆衛(wèi)星中，用鎂-鋰合金制造零部件的這還是第一次。所用的鎂-鋰合金是西安航空基地內(nèi)的西安四方超輕材料有限公司生產(chǎn)的，它的密度比常規(guī)鎂合金的輕20%~30%，比鋁合金的輕40%~50%，因而在降低結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量，提高衛(wèi)星裝載能力方面起了重要的作用，為“浦江一號(hào)”的成功升天與遨游太空立下了汗馬功勞。

“浦江一號(hào)”衛(wèi)星

　　鎂的密度為1740kg/m3，鋰的密度只有534kg/m3,是一種稀有輕金屬，把它加到鎂熔體里，可以制得當(dāng)今世上最輕的金屬結(jié)構(gòu)合金。此外，它還具有如下特點(diǎn)：高的比剛度，高的比強(qiáng)度，高的阻尼性，高的抗輻射性，高的抗電磁干擾性與高的減震性等。

　　鎂-鋰合金的性能與分類(lèi)

　　根據(jù)Mg-Li二元相圖，含7.5%Li的鎂合金熔體在588℃發(fā)生共晶反應(yīng)，形成二元共體晶α-Mg+β-Li：

　　L→α-Mg+β-Li

　　式中，α相為L(zhǎng)i在Mg中的固溶體，在共晶溫度588℃時(shí)地極限溶解度為5.5%，溫度降低時(shí)Li在Mg中的溶解度（固溶度）幾乎保持不變，不隨溫度降低而發(fā)生變化。α相為密集六方晶格，塑性變形能力低，鋰含量大于5.5%后，鋰在鎂中的固溶度雖然與溫度無(wú)關(guān)，卻形成了一個(gè)新相β，它是鎂再鋰中的固溶體，體心立方晶格，強(qiáng)度低，塑性高。因此鋰含量低地鎂-鋰合金不可以進(jìn)行固溶處理，屬于不可熱處理強(qiáng)化合金，也不需要進(jìn)行晶粒細(xì)化處理來(lái)提高塑性與成形性能。

　　按鋰含量和合金組織的不同，Mg-Li系合金可以分為三類(lèi)：

　　含5.5%Li以下合金，組織為單相的Li在Mg中的α固溶體組成，雖然塑性隨著Li含量的增加有所上升，由冷軋純Mg薄板伸長(zhǎng)率8.5%上升到Mg-5.5Li合金25%，但抗拉強(qiáng)度卻由240N/mm2下降到180N/mm2，同時(shí)其他性能也不好，因此這類(lèi)合金沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。

　　含5.5%~11.2%Li合金，它們的組織由α固溶體與片狀β固溶體組成，這類(lèi)合金的塑性比第一類(lèi)合金的高，伸長(zhǎng)率由15%上升到58%，幾乎達(dá)到Mg-Li合金的最大值，但抗拉強(qiáng)度卻同時(shí)同步下降，由180N/mm2左右降到約105N/mm2。這類(lèi)合金也未獲得工業(yè)應(yīng)用。

　　Li含量＞11.2%的合金，全部由鎂在鋰中的單一固溶體β組成，體心立方晶格，有良好的冷、熱塑性加工性能與成形能力，加工率可達(dá)50%~60%每道次，不過(guò)工業(yè)上應(yīng)用的合金的鋰含量不應(yīng)低于13%。含15%Li左右的鎂合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步下降到約100N/mm2，再增加Li含量強(qiáng)度不再增加，伸長(zhǎng)率開(kāi)始下降，加工成形性能惡化，這說(shuō)明有商用價(jià)值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。

　　Mg-Li合金是當(dāng)下最輕的結(jié)構(gòu)合金，具有最高的比強(qiáng)度與比剛度，是制造輕量化零部件的最佳材料，但它們的化學(xué)活性極高，抗腐蝕性能低，對(duì)一些雜質(zhì)特別是鈉非常敏感，當(dāng)鈉含量大于0.06%，合金塑性就急轉(zhuǎn)直下。因此，Mg-Li合金僅獲得了有限的應(yīng)用，僅在那些對(duì)零部件質(zhì)量錙銖必究的行為，例如航天產(chǎn)業(yè)才有意義。

　　通常，還向Mg-Li合金添加少量的Al-Zn或Si，以改善某些性能，例如加入Al可以提高合金的蠕變抗力和穩(wěn)定合金的性能；加入Si可形成Mg2Si，也有一定的強(qiáng)化作用；也可以向Mg-Li合金添加少量Zr、Pb、Ag或RE，都對(duì)某些性能有一定正面影響，但都不顯著。Mg-Li-Zn合金有時(shí)效硬化效應(yīng)，Li含量較低時(shí)，合金為單一的α相組織，時(shí)效時(shí)由α基體中析出穩(wěn)定相θ（MgLiZn）而產(chǎn)生硬化，增大Li含量時(shí)合金組織為α+β，時(shí)效時(shí)由β相中析出亞穩(wěn)定的θ‘相（MgLi2Zn）；Li含量再加大時(shí)，合金由單一的β相組成，時(shí)效時(shí)析亞穩(wěn)定的θ’相而硬化。

　　Mg-Li-Al合金經(jīng)固溶處理（350℃/1h）與淬火后再50℃時(shí)效時(shí)有一定的硬化作用，但會(huì)很快軟化。Zr是一種常用的微量合金化元素，能細(xì)化鑄造組織，提高合金的塑性變形能力，α+β合金的冷變形量可達(dá)90%，與純β相合金的冷加率相當(dāng)。同時(shí)，Zr還能提高合金再結(jié)晶溫度，抑制材料的再結(jié)晶過(guò)程。

　　稀土元素對(duì)鎂合金有較大的強(qiáng)化作用，并對(duì)析出析相的熱穩(wěn)定性有益，因而可以提高合金的高溫力學(xué)性能。

　　Mg-Li合金的抗蝕性低，是其主要不足處，MN、Zn、Cd對(duì)其抗蝕性有利，特別是Mn的效果最為卓著。Cd含量＜4%時(shí)可提高合金的抗蝕性，大于4%則會(huì)降低抗蝕性。Si、Sb等顯著降低Mg-Li合金的抗蝕性。Al和Sn對(duì)Mg-Li合金抗蝕性的影響決定于含量，含量為0.6%~1.0%時(shí)，合金的抗蝕性隨含量的增加而下降，超過(guò)1.0%后，抗蝕性隨含量增加而略有上升。向Mg-Li合金添加少量Al或Ca，可再表面形成穩(wěn)定性較高的Mg（oH）2化合物，有一定的保護(hù)作用，不但對(duì)抗蝕性有利，同時(shí)還能提高合金的塑性和抗蠕變性能。Mg-Li合金在潮濕大氣中由強(qiáng)烈的應(yīng)力腐蝕敏感性。

　　工業(yè)用鎂-鋰合金

　　二元Mg-Li合金力學(xué)性能不高，加入其他元素可以顯著提高它們的強(qiáng)度性能。常規(guī)鎂合金再各個(gè)產(chǎn)業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是Mg-Li合金目前的應(yīng)用領(lǐng)域有限，美國(guó)研發(fā)的LA141A和LS141A是獲得應(yīng)用的合金，它們的鋰含量為13%~15%，前者還含0.75%~1.75%Al。后者還含0.5%~0.8%Si。LA141A合金是上世紀(jì)60年代美國(guó)航空航天局（NASA）研制的，它們的物理性能和力學(xué)性能見(jiàn)表格。

　　LA141A的室溫彈性模量為42GN/mm2，與常用鎂合金的45GN/mm2相差很少，但它的室溫密度僅為1350kg/m3，比一般鎂合金的密度1800Kg/m3低得多，因此它的抗癆剛度為常用鎂合金的2倍。LS141A合金的彈性模量為41GN/mm2，密度卻只有1330kg/m3故其抗撓剛度比LA141A合金的大得多，比鋁的大4倍。

　　LA141A、LS141A合金的Li含量均大于11%，組織為單一的體心立方晶格β固溶體，有良好的塑性，可以在溫室下成形，進(jìn)行冷加工，再β相基體中還彌散地分布著面心立方晶格的LiAl相和亞穩(wěn)定的Li2MgAl相粒子。它們有一定的加工硬化效果。

　　LA141A合金一般再在T7處理（固溶處理、淬火和于177℃穩(wěn)定化）后應(yīng)用，穩(wěn)定化處理可以消除此合金的應(yīng)力腐蝕敏感性。LA141A和LS141A合金同其他鎂合金一樣都可以進(jìn)行焊接，但由于Mg-Li合金的化學(xué)性質(zhì)比其他鎂合金的更高，因此焊后應(yīng)立即進(jìn)行應(yīng)力釋放處理，以防腐蝕開(kāi)裂。

　　除了LA141A、LS141A合金，在航空航天器制造中獲得實(shí)際應(yīng)用的還有LA91、LAZ933合金，它們的Li含量為9%~14%，密度為1250~1350kg/m3。

　　中國(guó)的航天鎂-鋰合金

　　關(guān)于中國(guó)航天鎂-鋰合金的成分尚未見(jiàn)到公開(kāi)報(bào)道，不過(guò)從下面三點(diǎn)我們可以推定它成分為：Li13%~15%，Al0.9%~1.5%。

　　它必須是單一的β相合金，才有良好的加工塑性和成形性能，為此其Li含量應(yīng)大于11%；

　　現(xiàn)在國(guó)外獲得工業(yè)應(yīng)用的Mg-Li合金的鋰含量為9%~16%。

　　根據(jù)新聞報(bào)道，中國(guó)“浦江一號(hào)”衛(wèi)星用的Mg-Li合金材料“與鋁合金比能夠減重40%~50%，與一般鎂合金比能夠減重20%~30%”。如果按密度比一般鎂合金輕25%計(jì)算，那么它的密度正好與美國(guó)LA141A鎂-鋰合金相當(dāng)。

　　Mg-Li合金的化學(xué)活性極高，易與空氣中的氧、氫、氮化合生成穩(wěn)定化合物，遇明火會(huì)發(fā)生猛烈的燃燒，遇水會(huì)發(fā)生勢(shì)不可擋的爆炸，因此應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下熔煉鑄造或在真空爐內(nèi)熔煉。

　　這批Mg-Li合金是西安四方超輕材料有限公司提供的，它于2010年建成中國(guó)首條Mg-Li合金生產(chǎn)線，現(xiàn)有生產(chǎn)能力100t/a。他們?cè)谘邪l(fā)Mg-Li合金過(guò)程中得到航天八院與西安交通大學(xué)紫東郎教授的大力支持與幫助。




 

責(zé)任編輯：王元

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