9月25日，中國成功地發射了“浦江一號”衛星，這顆衛星在用材方面的突出特點是首次應用了中國自主研制與生產的鎂-鋰合金，在中國發射的幾十顆衛星中，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的西安四方超輕材料有限公司生產的，它的密度比常規鎂合金的輕20%~30%，比鋁合金的輕40%~50%，因而在降低結構系統質量，提高衛星裝載能力方面起了重要的作用，為“浦江一號”的成功升天與遨游太空立下了汗馬功勞。

“浦江一號”衛星

　　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，可以制得當今世上最輕的金屬結構合金。此外，它還具有如下特點：高的比剛度，高的比強度，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

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

　　L→α-Mg+β-Li

　　式中，α相為Li在Mg中的固溶體，在共晶溫度588℃時地極限溶解度為5.5%，溫度降低時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關，卻形成了一個新相β，它是鎂再鋰中的固溶體，體心立方晶格，強度低，塑性高。因此鋰含量低地鎂-鋰合金不可以進行固溶處理，屬于不可熱處理強化合金，也不需要進行晶粒細化處理來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：

　　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薄板伸長率8.5%上升到Mg-5.5Li合金25%，但抗拉強度卻由240N/mm2下降到180N/mm2，同時其他性能也不好，因此這類合金沒有實用價值。

　　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，這類合金的塑性比第一類合金的高，伸長率由15%上升到58%，幾乎達到Mg-Li合金的最大值，但抗拉強度卻同時同步下降，由180N/mm2左右降到約105N/mm2。這類合金也未獲得工業應用。

　　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50%~60%每道次，不過工業上應用的合金的鋰含量不應低于13%。含15%Li左右的鎂合金的抗拉強度進一步下降到約100N/mm2，再增加Li含量強度不再增加，伸長率開始下降，加工成形性能惡化，這說明有商用價值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。

　　Mg-Li合金是當下最輕的結構合金，具有最高的比強度與比剛度，是制造輕量化零部件的最佳材料，但它們的化學活性極高，抗腐蝕性能低，對一些雜質特別是鈉非常敏感，當鈉含量大于0.06%，合金塑性就急轉直下。因此，Mg-Li合金僅獲得了有限的應用，僅在那些對零部件質量錙銖必究的行為，例如航天產業才有意義。

　　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定合金的性能；加入Si可形成Mg2Si，也有一定的強化作用；也可以向Mg-Li合金添加少量Zr、Pb、Ag或RE，都對某些性能有一定正面影響，但都不顯著。Mg-Li-Zn合金有時效硬化效應，Li含量較低時，合金為單一的α相組織，時效時由α基體中析出穩定相θ（MgLiZn）而產生硬化，增大Li含量時合金組織為α+β，時效時由β相中析出亞穩定的θ‘相（MgLi2Zn）；Li含量再加大時，合金由單一的β相組成，時效時析亞穩定的θ’相而硬化。

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

　　稀土元素對鎂合金有較大的強化作用，并對析出析相的熱穩定性有益，因而可以提高合金的高溫力學性能。

　　Mg-Li合金的抗蝕性低，是其主要不足處，MN、Zn、Cd對其抗蝕性有利，特別是Mn的效果最為卓著。Cd含量＜4%時可提高合金的抗蝕性，大于4%則會降低抗蝕性。Si、Sb等顯著降低Mg-Li合金的抗蝕性。Al和Sn對Mg-Li合金抗蝕性的影響決定于含量，含量為0.6%~1.0%時，合金的抗蝕性隨含量的增加而下降，超過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，可再表面形成穩定性較高的Mg（oH）2化合物，有一定的保護作用，不但對抗蝕性有利，同時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烈的應力腐蝕敏感性。

　　工業用鎂-鋰合金

　　二元Mg-Li合金力學性能不高，加入其他元素可以顯著提高它們的強度性能。常規鎂合金再各個產業獲得了廣泛的應用，但是Mg-Li合金目前的應用領域有限，美國研發的LA141A和LS141A是獲得應用的合金，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60年代美國航空航天局（NASA）研制的，它們的物理性能和力學性能見表格。

　　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℃穩定化）后應用，穩定化處理可以消除此合金的應力腐蝕敏感性。LA141A和LS141A合金同其他鎂合金一樣都可以進行焊接，但由于Mg-Li合金的化學性質比其他鎂合金的更高，因此焊后應立即進行應力釋放處理，以防腐蝕開裂。

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

　　中國的航天鎂-鋰合金

　　關于中國航天鎂-鋰合金的成分尚未見到公開報道，不過從下面三點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含量應大于11%；

　　現在國外獲得工業應用的Mg-Li合金的鋰含量為9%~16%。

　　根據新聞報道，中國“浦江一號”衛星用的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%計算，那么它的密度正好與美國LA141A鎂-鋰合金相當。

　　Mg-Li合金的化學活性極高，易與空氣中的氧、氫、氮化合生成穩定化合物，遇明火會發生猛烈的燃燒，遇水會發生勢不可擋的爆炸，因此應在惰性氣體保護下熔煉鑄造或在真空爐內熔煉。

　　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年建成中國首條Mg-Li合金生產線，現有生產能力100t/a。他們在研發Mg-Li合金過程中得到航天八院與西安交通大學紫東郎教授的大力支持與幫助。




 

責任編輯：王元

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