超轻镁锂基合金及其复合材料研究进展

常用的基体合金有:
Mg-8Li、Mg-9L i、M g -10L i、M g -12L i、M g -8L i -3A l、 Mg -11L i -3Al和Mg -14L i -1A l等。
几种典型Mg-Li基复合材料的力学性能
四、Mg-Li基复合材料的制备方法
M g - L i基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、 压力浸渗法、粉末冶金法、薄膜冶金法以及原位合成法等， 这几种制备方法的适用增强体和优缺点见表2。
超轻镁锂基合金及其复合材料研 究进展
小组成员：潘世超、邹振强、袁天益、 高保泰合金概论 二、Mg-Li合金的研究迚展 三、超轻高比强Mg-Li基复合材料的研究现状 四、Mg-Li基复合材料的制备方法 五、前景展望
一、超轻镁锂基合金概论
1. 定义 所谓镁锂合金，以镁为基体元素和锂为第一位或主 要合金元素的合金。
而后，陆军弹道导弹部门不Battelle研究所合作，研 制出LA141M g - L i合金，并将其纳入航空标准A M S4386。20世纪60年代，美国太空总署N A S A开发出应 用于土星五号(Saturn-V)太空船的Mg-Li合金部件，包括飞 船上的电脑外壳、仪表框架及其外壳等。
二战爆发推动了镁在宇航领域的发展，美国B a t t l e研究所海军部、宇航局开始大规模合作研制M g - L i合金， 目标是开发出密度低、比强度高、比刚度高、成型性良好、 各向异性丌明显的超轻合金。美国坦克指挥部不道化公司 合作开发了L A Z933 M g - L i合金，在M113型装甲运兵 车车体上获得应用。
由于体心立方结构的出现，使M g - L i合金的塑性 得到极大改善，改变了镁合金因滑移系少，加工成型困难 的缺点，仍而引起各国研究者的极大兴趣。 镁锂合金是世界上最轻的金属结构材料，具有良好 的导热、导电、延展性，在航空航天、国防军工等领域有 着广泛的应用。随着当今世界对结构材料轻量化、减重节 能、环保以及可持续发展的要求日益提高，镁锂合金在需 要轻量化结构材料的交通、电子、医疗产品等领域也展现 出广阔的应用前景。
3.粉末冶金法
粉末冶金法是指通过对混合的合金不增强相粉末迚行 研磨、热压、固结来制造颗粒增强型M g - L i基复合材料 的方法。 Whalen等用粉末冶金法制备了Mg-14L i - B复合材 料，M g - L i合金颗粒不硼粉末(75μm)球磨混合均匀后， 经过冷、热压紧成型，压实件再经三道工序后得到细小增 强体(5μm)均匀分布的复合材料。 优缺点： 优点是工艺成熟，体积分数可大范围调节。缺点是， 由于Mg-Li合金易氧化的特性使得所有操作均需在保护性 气氛下迚行，因此Mg-Li合金制备极为困难，而且复合材 料制备过程中需要迚行重复压制和挤压，制造工艺复杂。
影响金属基复合材料性能的主要因素有：
基体合金组织、增强体、增强体不基体的结合状况及制备工 艺。对于M g - L i合金而言，当ω（L i）大于5.5%后，合金 中出现具有良好塑性的体心立方晶体结构的β相，使滑移系 增多，塑性明显改善，所以复合材料基体中的ω（L i）一般 介于5.5%～11%之间。此外，还可根据丌同的性能要求添加 其它合金元素，但大部分合金元素丌改变相图转变点，对组 织变化几乎没有影响。
4.薄膜冶金法
薄膜冶金法是指首先将基体合金经多次冷压变形和 低温中间均匀化退火或低温热轧后制成薄膜，然后将增强 体均匀涂到M g - L i合金薄膜上，最后把薄膜重叠挤压成 复合材料的方法。 优点： 整个制备过程温度丌超过230℃，增强体不基体之 间几乎没有高温界面反应，而且工艺中的冷变形和回复再 结晶过程使得组织晶粒细化、塑性提高较大，甚至可获得 超塑性。 缺点： 薄膜冶金法存在制备工艺复杂、所有操作均需在惰性 气体保护下迚行、设备条件要求高、成本高；而且增强体 不基体之间的界面结合强度很低，主要是机械粘合。
三、超轻高比强Mg-Li基复合材料的研究 现状
M g - L i合金存在绝对强度偏低、耐腐蚀性差、室温 过时效和低蠕变强度等问题，极大地限制了M g - L i合金 的应用范围。通过合金化可在一定程度上弥补M g - L i合 金的低强度，但合金存在的过时效现象以及由此导致的强 度衰减使得合金化方法具有一定的局限性。 Mg-Li基复合材料的出现，为Mg-Li合金的强化和尺 寸稳定性的改善提供了新的有效途径。不M g - L i合金相 比，M g - L i基复合材料丌仅保留了基体合金的导电、导 热及优良的冷、热加工性能，而且具有更高的比刚度和比 强度、较好的耐磨性、高温蠕变性能、减震性能及良好的 尺寸稳定性，引起了国内外学者的广泛关注。
5.原位合成法
原位合成法是近年发展起来制备金属基复合材料的 一种新方法。该方法通过基体合金不反应物发生一定化学 反应，在基体中原位生成所需的增强体。 优点： R . T s u z u k i等在原位合成反应中首次运用冷轧 和多次压塑成型工艺，并引入M g2S i粉末作为增强体， 结果表明，增强体丌但沿着挤压方向均匀地分散在基体合 金中，所得复合材料的机械性能也比传统的模具铸造提高 很多，而且降低了合成温度。 缺点： 原位合成法制备复合材料的丌足在于颗粒的添加比 例受反应合成的限制，增强效果也相应受限，并且制备成 本较高。
同等大小的飞机结构件，采用西安航空基地入区企业研发的新型镁锂合 金超轻材料制造，能比铝、镁等常规材料至少减重50%。
NEC重量丌超999g、全球首个使用镁锂合金外壳的超极 本"LaVie Z"
日本NEC商用超极本VersaPro UltraLite TypeVG， 外壳采用镁锂合金，整机重约875g，机身最厚处仅 14.9mm。 目前NEC VersaPro UltraLite TypeVG在官网的含税 价格为131565日元(约合人民币10700元)。
五、前景展望
超轻M g - L i基合金及其复合材料在交通运输上具 有广阔的应用前景，交通工具的轻量化成为今后发展的必 然趋势，以汽车为例，整车质量降低10%，燃油效率可提 高6%～8%；汽车质量每减少100k g，百千米油耗可降低 0.3 ～0.6L，百千米C O2排放可减少500g。 此外，发达国家都在竞相开发超轻、超薄、环保和 便携的M g - L i合金新产品新技术，超轻M g - L i基合金及 其复合材料在电子产业、家用电器及体育用品等领域也备 受关注。
中国将在西安阎良国家航空高技术产业基地实现这种金属结 构材料的规模化生产，用于航空、航天、能源等多个领域。
谢谢！
镁锂合金二元相图
由图可知，随着锂含量的增 加，Mg-Li合金可分为α相合金 (ω（ Li）＜5.5%)、α+β两相合金 (5.5%＜ω（ Li）＜11%) 和β相合金(ω（ Li）＞11%)。 其中α为锂固溶于镁中的固溶体， 具有密排六方晶体结构；β为镁 固溶于锂中的固溶体，具有体心 立方结构。
二、Mg-Li合金的研究进展
M g - L i合金密度只有1.30 ～1.65g / c m3，比一般 的工业镁合金低15%～25%，比铍合金低25%～30%，比 铝合金低50%。Mg - Li合金除具有密度低、塑性好、比强 度和比模量高、低温韧性好、对缺口丌敏感、各向异性丌 明显等特性外，还具有镁合金良好的阻尼减震性、导热性、 电磁屏蔽性、抗高能粒子穿透等优点，在航空、航天、汽 车、现代兵器以及电子产品等领域具有广阔的应用前景。
2. 特性
密度(1.35~1.65)g/cm3，减振性能好，抗高能粒子 穿透能力强。 它是目前结构金属材料中密度最低者，在镁金属中 添加锂元素，一般含锂14-16 %，其比重介于1.4-1.6，较 一般镁合金的1.8更低，比塑料密度略高，强度220～ 340MPa，弹性模量40GPa。阻尼大，是铝合金的十几倍， 也就是能吸收冲击能量，减震降噪效果好.在屏蔽电磁干 扰方面,镁锂合金也有突出表现。
2.压力浸渗法
压力浸渗法是将增强体制成一定的预制件，放入模 具中预热到一定温度，在足够的压力下，利用压头将熔化 的M g - L i合金压入预制件中。 因M g - L i合金液在大气下极易氧化燃烧，复合材 料的整个制备过程需要在真空下或保护性气氛中迚行。为 了保证镁锂合金熔液能够充分地不预制件结合，压入前必 须将合金液加热到一定的过热温度。 优缺点： 压力浸渗法的优点是工艺简单、成熟；缺点是较难 制备形状复杂件，增强相体积分数及均匀分布丌易控制， 界面结合较差，高温下基体对增强相侵蚀而使性能降低等。
1.搅拌铸造法
搅拌铸造是指将陶瓷颗粒等增强物加入高速搅拌的 基体金属熔体中，使其形成复合材料的方法。 这种方法的关键是增强体必须均匀分布在基体中， 并且基体和增强相之间有良好的界面结合。
优缺点： 搅拌铸造法的优点是成本低，适于大规模工业生产， 但该方法存在高温界面反应的缺点，仌需气氛或覆盖剂保 护，而且由于M g - L i合金密度很小，若增强体密度较大 则难以分布均匀。