1 超輕鎂鋰合金特征及性能優(yōu)勢(shì)

鎂鋰合金是目前世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。由金屬鎂和金屬鋰為主要元素制得的合金密度一般為1.35g/cm3～1.65g/cm3，比普通鎂合金輕，比鋁合金輕[1]。鎂鋰合金晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有隨鋰含量轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，根據(jù)鎂鋰合金二元相圖可知：當(dāng)鋰含量為0～5.7%時(shí)，鎂鋰合金為以鎂為基的α相；當(dāng)鋰含量為5.7%～10.3%時(shí)，鎂鋰合金晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;+β相；當(dāng)鋰含量大于10.3%時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)橐凿嚍榛?beta;相[2]。

與鋼鐵、鋁合金、工程塑料、碳纖維復(fù)合材料相比，鎂鋰合金不僅在比強(qiáng)度、比剛度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在減震、電磁屏蔽、可焊接性等方面也具有優(yōu)異的綜合性能。

1.1  超輕、高比強(qiáng)度、高比模量

表1列出了2種鎂鋰合金和常用鎂合金、鋁合金及工程塑料的密度及機(jī)械性能。從表中可以看出，鎂鋰合金的密度低于常用鎂合金，是鋁合金的1/2～3/5，在金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小，與塑料相差不大；其比強(qiáng)度大于鋁合金和塑料，與普通鎂合金相當(dāng)；其比模量與表中所列幾種材料相比最高。

1.2  優(yōu)異的剛性

在重量條件相同時(shí)，鎂鋰合金的剛性可達(dá)鋼鐵的22倍；而滿足相同剛性所需的鎂鋰合金材料重量僅為鋼鐵材料的1/3左右。

鎂鋰合金具備的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量，以及優(yōu)異的剛性等特點(diǎn)，使得該材料成為最具減重潛力的金屬結(jié)構(gòu)材料。

表1 鎂鋰合金與其它結(jié)構(gòu)材料性能比較[3]

1.3 良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能

表2列出了2種常用鎂鋰合金和塑料、碳纖維復(fù)合材料等非金屬材料的熱導(dǎo)率和電阻率。從表中可以看出，鎂鋰合金的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能與非金屬輕質(zhì)材料相比具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。其熱導(dǎo)率約為塑料的300～400倍，是碳纖維復(fù)合材料的30～50倍；導(dǎo)電性約為塑料的1016倍，是碳纖維復(fù)合材料的104倍。

表2 鎂鋰合金與其它材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性能比較

1.4 突出的減震性能

表3列出了鎂鋰合金與其它材料內(nèi)耗系數(shù)的比較[4]。較大的內(nèi)耗系數(shù)表明材料在發(fā)生震動(dòng)時(shí)可將更多的能量消耗于金屬內(nèi)部，從而達(dá)到減震效果，提高設(shè)備的可靠性，同時(shí)可以起到降噪的作用。與其它金屬材料相比，鎂鋰合金具有更高的內(nèi)耗系數(shù)。用鎂鋰合金制作設(shè)備底座或支腳，可有效減少其震動(dòng)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

表3 幾種材料的內(nèi)耗系數(shù)比較

1.5 優(yōu)異的電磁屏蔽性

鎂鋰合金具有比其它鎂合金更優(yōu)異的電磁屏蔽性能。以鎂鋰合金替代塑料制備便攜式電腦、移動(dòng)電話等設(shè)備的外殼，不僅可以提高設(shè)備的強(qiáng)度和耐沖擊性能，還可以發(fā)揮鎂合金的電磁屏蔽功能，提高移動(dòng)電話的通話質(zhì)量，減小電磁波對(duì)人體的傷害。

1.6  可焊接連接，具有良好機(jī)械加工及成型能力

鎂鋰合金可與本合金及其它鎂合金采用TIG焊、激光焊接、攪拌摩擦焊等技術(shù)進(jìn)行熔焊。其焊接為永久性連接，具有連接牢固、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，可減輕結(jié)構(gòu)重量，簡化加工與裝配工序。鎂鋰合金具有良好的機(jī)械加工及冷成型能力，能夠進(jìn)行室溫沖壓成型，且成品率在90%以上。

2  鎂鋰合金的表面處理

鎂鋰合金雖然在航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛能，但由于鎂元素與鋰元素自身較強(qiáng)的活潑性，且飛行器需經(jīng)受高低溫交替、濕熱、鹽霧等極端氣候的考驗(yàn)，鎂鋰合金的耐蝕性能成為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此必須對(duì)其采用表面防護(hù)技術(shù)處理。

當(dāng)前研究表明，通過陽極氧化、微弧氧化、電泳、化學(xué)鍍鎳等表面處理工藝可顯著提高鎂鋰合金的耐蝕性和耐磨性[5-6]。鄭州輕研合金科技有限公司在鎂鋰合金表面處理方面做了大量應(yīng)用研究，表4列出其不同表面處理工藝對(duì)比。經(jīng)過表面處理后鎂鋰合金樣件可滿足國軍標(biāo)三防標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 陽極氧化

陽極氧化處理是指在一定濃度的電解液中，通過電流在金屬表面形成具有保護(hù)作化膜與基材的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)異、防腐蝕性能和用、一定厚度和穩(wěn)定性的氧化膜[7]。陽極氧耐候性良好。此外，陽極氧化膜還有良好的熱穩(wěn)定性與絕熱性能。

2.2  微弧氧化

微弧氧化是一種在輕金屬表面原位生長陶瓷氧化膜的技術(shù)。采用較高的工作電壓，將工作區(qū)域由普通陽極氧化的法拉第區(qū)域引入到高壓放電區(qū)域。通過微弧氧化可在鎂鋰合金表面生成一層致密的陶瓷膜，膜層與基體結(jié)合力強(qiáng)、尺寸變化小，耐磨損、耐腐蝕、耐熱沖擊。

2.3  電泳

電泳涂裝是電化學(xué)和高分子化學(xué)相結(jié)合的新技術(shù)。將零件浸入水溶性涂料中，零件通過電極與外加直流電源相連，通過電化學(xué)反應(yīng)，使水溶性涂料均勻沉積在被涂物表面。電泳具有涂裝效率高（涂料利用率可達(dá)90-95%）；膜層厚度均勻，附著力強(qiáng)，涂裝質(zhì)量好等特點(diǎn)。

表4  不同表面處理工藝對(duì)比

2.4  化學(xué)鍍鎳

化學(xué)鍍又稱無電解鍍或自催化電鍍，是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。化學(xué)鍍適合于管狀或外形復(fù)雜的小零件的光亮鍍鎳，不必再經(jīng)拋光，可提高零件的抗蝕性和耐磨性，增加光澤和美觀。郭曉光等[8-9]對(duì)鎂鋰合金化學(xué)鍍鎳工藝進(jìn)行研究，其工藝經(jīng)優(yōu)化后鎂鋰合金的耐蝕性能大幅提高。

3  鎂鋰合金的應(yīng)用

鑒于鎂鋰合金具有的獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)，在對(duì)材料減重有迫切需求的航空航天、武器裝備及3C產(chǎn)業(yè)等民用領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用空間。

3.1  航空航天領(lǐng)域

航空、航天領(lǐng)域產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)減重已經(jīng)進(jìn)入“克克計(jì)較”的時(shí)代，隨著鎂鋰合金在力學(xué)性能、耐蝕性等方面的逐步提高，未來可逐步取代鋁合金和其他鎂合金等材料，從而減輕飛行器質(zhì)量，促進(jìn)航空航天事業(yè)的發(fā)展。

作為國內(nèi)最早進(jìn)行鎂鋰合金研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)，鄭州輕研合金科技有限公司在鎂鋰合金產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面做了大量研究，并取得了一系列產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成果。由其研發(fā)的超輕鎂鋰合金解決了以往鎂鋰合金耐腐蝕性能差，不能在飛機(jī)艙外應(yīng)用的難題，成功應(yīng)用于我國某型號(hào)軍機(jī)吊艙，相比鋁合金材質(zhì)減重了46%。經(jīng)表面處理后通過國軍標(biāo)三防標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命可達(dá)10年以上。這是我國在航空吊艙領(lǐng)域首次應(yīng)用這一種世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，為鎂鋰合金在航空領(lǐng)域惡劣環(huán)境下大規(guī)模應(yīng)用取得了重大突破[10]。

圖1  鎂鋰合金航空光電吊艙

3.2  國防軍工領(lǐng)域

相關(guān)研究表明，對(duì)洲際導(dǎo)彈，運(yùn)載火箭等裝備進(jìn)行輕量化改進(jìn)后可有效提升其使用效能。用鎂鋰合金替代鋁合金、鈦合金及鈹合金，可獲得20%～30%的減重效果。飛行器減重后，速度更快、飛距更遠(yuǎn)、精度更高、成本更低，可滿足未來作戰(zhàn)遠(yuǎn)程投放、快速部署、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)需要。

3.3  3C產(chǎn)業(yè)

鎂鋰合金具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，因此采用鎂鋰合金制備3C產(chǎn)品零部件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)減重效果，還能夠減少電磁干擾，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更真實(shí)準(zhǔn)確。而其作為殼體材料使用時(shí)還能夠減少電磁對(duì)人體的損害。

4  結(jié)束語

鎂鋰合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料在結(jié)構(gòu)減重等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在航空航天等領(lǐng)域越來越受到重視。通過對(duì)鎂鋰合金進(jìn)行表面處理可有效提高其耐蝕性能，從而滿足其使用要求。目前鎂鋰合金在航空航天、武器裝備、3C等領(lǐng)域已經(jīng)有了突破性的應(yīng)用。隨著近年來研究的深入和工藝、制造技術(shù)的進(jìn)步，鎂鋰合金在航空航天等領(lǐng)域必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[10]超輕鎂鋰合金首次成功應(yīng)用于航空吊艙[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（8）：95