9月25日，中国成功地发射了“浦江一号”卫星，这颗卫星在用材方面的突出特点是首次应用了中国自主研制与生产的镁-锂合金，在中国发射的几十颗卫星中，用镁-锂合金制造零部件的这还是第一次。所用的镁-锂合金是西安航空基地内的西安四方超轻材料有限公司生产的，它的密度比常规镁合金的轻20%~30%，比铝合金的轻40%~50%，因而在降低结构系统质量，提高卫星装载能力方面起了重要的作用，为“浦江一号”的成功升天与遨游太空立下了汗马功劳。

“浦江一号”卫星

　　镁的密度为1740kg/m3，锂的密度只有534kg/m3,是一种稀有轻金属，把它加到镁熔体里，可以制得当今世上最轻的金属结构合金。此外，它还具有如下特点：高的比刚度，高的比强度，高的阻尼性，高的抗辐射性，高的抗电磁干扰性与高的减震性等。

　　镁-锂合金的性能与分类

　　根据Mg-Li二元相图，含7.5%Li的镁合金熔体在588℃发生共晶反应，形成二元共体晶α-Mg+β-Li：

　　L→α-Mg+β-Li

　　式中，α相为Li在Mg中的固溶体，在共晶温度588℃时地极限溶解度为5.5%，温度降低时Li在Mg中的溶解度（固溶度）几乎保持不变，不随温度降低而发生变化。α相为密集六方晶格，塑性变形能力低，锂含量大于5.5%后，锂在镁中的固溶度虽然与温度无关，却形成了一个新相β，它是镁再锂中的固溶体，体心立方晶格，强度低，塑性高。因此锂含量低地镁-锂合金不可以进行固溶处理，属于不可热处理强化合金，也不需要进行晶粒细化处理来提高塑性与成形性能。

　　按锂含量和合金组织的不同，Mg-Li系合金可以分为三类：

　　含5.5%Li以下合金，组织为单相的Li在Mg中的α固溶体组成，虽然塑性随着Li含量的增加有所上升，由冷轧纯Mg薄板伸长率8.5%上升到Mg-5.5Li合金25%，但抗拉强度却由240N/mm2下降到180N/mm2，同时其他性能也不好，因此这类合金没有实用价值。

　　含5.5%~11.2%Li合金，它们的组织由α固溶体与片状β固溶体组成，这类合金的塑性比第一类合金的高，伸长率由15%上升到58%，几乎达到Mg-Li合金的最大值，但抗拉强度却同时同步下降，由180N/mm2左右降到约105N/mm2。这类合金也未获得工业应用。

　　Li含量＞11.2%的合金，全部由镁在锂中的单一固溶体β组成，体心立方晶格，有良好的冷、热塑性加工性能与成形能力，加工率可达50%~60%每道次，不过工业上应用的合金的锂含量不应低于13%。含15%Li左右的镁合金的抗拉强度进一步下降到约100N/mm2，再增加Li含量强度不再增加，伸长率开始下降，加工成形性能恶化，这说明有商用价值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。

　　Mg-Li合金是当下最轻的结构合金，具有最高的比强度与比刚度，是制造轻量化零部件的最佳材料，但它们的化学活性极高，抗腐蚀性能低，对一些杂质特别是钠非常敏感，当钠含量大于0.06%，合金塑性就急转直下。因此，Mg-Li合金仅获得了有限的应用，仅在那些对零部件质量锱铢必究的行为，例如航天产业才有意义。

　　通常，还向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可以提高合金的蠕变抗力和稳定合金的性能；加入Si可形成Mg2Si，也有一定的强化作用；也可以向Mg-Li合金添加少量Zr、Pb、Ag或RE，都对某些性能有一定正面影响，但都不显著。Mg-Li-Zn合金有时效硬化效应，Li含量较低时，合金为单一的α相组织，时效时由α基体中析出稳定相θ（MgLiZn）而产生硬化，增大Li含量时合金组织为α+β，时效时由β相中析出亚稳定的θ‘相（MgLi2Zn）；Li含量再加大时，合金由单一的β相组成，时效时析亚稳定的θ’相而硬化。

　　Mg-Li-Al合金经固溶处理（350℃/1h）与淬火后再50℃时效时有一定的硬化作用，但会很快软化。Zr是一种常用的微量合金化元素，能细化铸造组织，提高合金的塑性变形能力，α+β合金的冷变形量可达90%，与纯β相合金的冷加率相当。同时，Zr还能提高合金再结晶温度，抑制材料的再结晶过程。

　　稀土元素对镁合金有较大的强化作用，并对析出析相的热稳定性有益，因而可以提高合金的高温力学性能。

　　Mg-Li合金的抗蚀性低，是其主要不足处，MN、Zn、Cd对其抗蚀性有利，特别是Mn的效果最为卓著。Cd含量＜4%时可提高合金的抗蚀性，大于4%则会降低抗蚀性。Si、Sb等显著降低Mg-Li合金的抗蚀性。Al和Sn对Mg-Li合金抗蚀性的影响决定于含量，含量为0.6%~1.0%时，合金的抗蚀性随含量的增加而下降，超过1.0%后，抗蚀性随含量增加而略有上升。向Mg-Li合金添加少量Al或Ca，可再表面形成稳定性较高的Mg（oH）2化合物，有一定的保护作用，不但对抗蚀性有利，同时还能提高合金的塑性和抗蠕变性能。Mg-Li合金在潮湿大气中由强烈的应力腐蚀敏感性。

　　工业用镁-锂合金

　　二元Mg-Li合金力学性能不高，加入其他元素可以显著提高它们的强度性能。常规镁合金再各个产业获得了广泛的应用，但是Mg-Li合金目前的应用领域有限，美国研发的LA141A和LS141A是获得应用的合金，它们的锂含量为13%~15%，前者还含0.75%~1.75%Al。后者还含0.5%~0.8%Si。LA141A合金是上世纪60年代美国航空航天局（NASA）研制的，它们的物理性能和力学性能见表格。

　　LA141A的室温弹性模量为42GN/mm2，与常用镁合金的45GN/mm2相差很少，但它的室温密度仅为1350kg/m3，比一般镁合金的密度1800Kg/m3低得多，因此它的抗痨刚度为常用镁合金的2倍。LS141A合金的弹性模量为41GN/mm2，密度却只有1330kg/m3故其抗挠刚度比LA141A合金的大得多，比铝的大4倍。

　　LA141A、LS141A合金的Li含量均大于11%，组织为单一的体心立方晶格β固溶体，有良好的塑性，可以在温室下成形，进行冷加工，再β相基体中还弥散地分布着面心立方晶格的LiAl相和亚稳定的Li2MgAl相粒子。它们有一定的加工硬化效果。

　　LA141A合金一般再在T7处理（固溶处理、淬火和于177℃稳定化）后应用，稳定化处理可以消除此合金的应力腐蚀敏感性。LA141A和LS141A合金同其他镁合金一样都可以进行焊接，但由于Mg-Li合金的化学性质比其他镁合金的更高，因此焊后应立即进行应力释放处理，以防腐蚀开裂。

　　除了LA141A、LS141A合金，在航空航天器制造中获得实际应用的还有LA91、LAZ933合金，它们的Li含量为9%~14%，密度为1250~1350kg/m3。

　　中国的航天镁-锂合金

　　关于中国航天镁-锂合金的成分尚未见到公开报道，不过从下面三点我们可以推定它成分为：Li13%~15%，Al0.9%~1.5%。

　　它必须是单一的β相合金，才有良好的加工塑性和成形性能，为此其Li含量应大于11%；

　　现在国外获得工业应用的Mg-Li合金的锂含量为9%~16%。

　　根据新闻报道，中国“浦江一号”卫星用的Mg-Li合金材料“与铝合金比能够减重40%~50%，与一般镁合金比能够减重20%~30%”。如果按密度比一般镁合金轻25%计算，那么它的密度正好与美国LA141A镁-锂合金相当。

　　Mg-Li合金的化学活性极高，易与空气中的氧、氢、氮化合生成稳定化合物，遇明火会发生猛烈的燃烧，遇水会发生势不可挡的爆炸，因此应在惰性气体保护下熔炼铸造或在真空炉内熔炼。

　　这批Mg-Li合金是西安四方超轻材料有限公司提供的，它于2010年建成中国首条Mg-Li合金生产线，现有生产能力100t/a。他们在研发Mg-Li合金过程中得到航天八院与西安交通大学紫东郎教授的大力支持与帮助。




 

责任编辑：王元

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