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干貨|超輕鎂鋰合金性能、表面防護及應用

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1.鄭州輕研合金科技有限公司（中國鋁業鄭州有色金屬研究院金屬材料研究所），河南鄭州450041

2.鄭州大學河南省資源與材料產業技術研究院，河南鄭州450001

閆旭1,2 解海濤1 郭曉光1 紀大偉1 肖陽1,2

摘要：

鎂鋰合金是迄今為止最輕的金屬結構材料，具有高的比強度、比剛度，突出的減震性能等優勢，在航空航天等領域具有廣闊的發展前景。本文概述了鎂鋰合金的特點及性能優勢，介紹了鎂鋰合金的表面處理工藝，分析了其在航空航天、國防軍工及民品方面的應用及市場前景。

關鍵詞：鎂鋰合金；航空航天；輕量化；表面處理；產業應用

1、超輕鎂鋰合金特征及性能優勢

鎂鋰合金是目前世界上最輕的金屬結構材料。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1/4~1/3，比鋁合金輕1/3~1/2[1] 。鎂鋰合金晶體點陣結構具有隨鋰含量轉變的特點，根據鎂鋰合金二元相圖可知：當鋰含量為0～5.7%時，鎂鋰合金為以鎂為基的α相；當鋰含量為5.7%～10.3%時，鎂鋰合金晶體結構轉變為α+β相；當鋰含量大于10.3%時，則轉變為以鋰為基的β相[2]。與鋼鐵、鋁合金、工程塑料、碳纖維復合材料相比，鎂鋰合金不僅在比強度、比剛度等方面具有明顯優勢，在減震、電磁屏蔽、可焊接性等方面也具有優異的綜合性能。

1.1

超輕、高比強度、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，在金屬結構材料中密度最小，與塑料相差不大；其比強度大于鋁合金和塑料，與普通鎂合金相當；其比模量與表中所列幾種材料相比最高。

1.2

優異的剛性

在重量條件相同時，鎂鋰合金的剛性可達鋼鐵的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、高比強度、高比模量，以及優異的剛性等特點，使得該材料成為最具減重潛力的金屬結構材料。

　　表1 鎂鋰合金與其它結構材料性能比較[3]

1.3

良好的導電、導熱性能

表2列出了2種常用鎂鋰合金和塑料、碳纖維復合材料等非金屬材料的熱導率和電1阻率。從表中可以看出，鎂鋰合金的導電導熱性能與非金屬輕質材料相比具有較強的優勢。其熱導率約為塑料的300～400倍，是碳纖維復合材料的30～50倍；導電性約為塑料的1016倍，是碳纖維復合材料的104倍。

表2 鎂鋰合金與其它材料導電導熱性能比較

1.4

突出的減震性能

表3列出了鎂鋰合金與其它材料內耗系數的比較[4]。較大的內耗系數表明材料在發生震動時可將更多的能量消耗于金屬內部，從而達到減震效果，提高設備的可靠性，同時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耗系數。用鎂鋰合金制作設備底座或支腳，可有效減少其震動，提高設備的穩定性。

　　表3 幾種材料的內耗系數比較

1.5

優異的電磁屏蔽性

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

1.6

可焊接連接，具有良好機械加工及成型能力

鎂鋰合金可與本合金及其它鎂合金采用TIG焊、激光焊接、攪拌摩擦焊等技術進行熔焊。其焊接為永久性連接，具有連接牢固、結構穩定、可靠等特點，可減輕結構重量，簡化加工與裝配工序。鎂鋰合金具有良好的機械加工及冷成型能力，能夠進行室溫沖壓成型，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域展現出了巨大的應用潛能，但由于鎂元素與鋰元素自身較強的活潑性，且飛行器需經受高低溫交替、濕熱、鹽霧等極端氣候的考驗，鎂鋰合金的耐蝕性能成為限制其實際應用的關鍵因素之一。因此必須對其采用表面防護技術處理。

當前研究表明，通過陽極氧化、微弧氧化、電泳、化學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用研究，表4列出其不同表面處理工藝對比。經過表面處理后鎂鋰合金樣件可滿足國軍標三防標準。

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作化膜與基材的結合強度優異、防腐蝕性能和用、一定厚度和穩定性的氧化膜[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。采用較高的工作電壓，將工作區域由普通陽極氧化的法拉第區域引入到高壓放電區域。通過微弧氧化可在鎂鋰合金表面生成一層致密的陶瓷膜，膜層與基體結合力強、尺寸變化小，耐磨損、耐腐蝕、耐熱沖擊。

2.3

電泳

電泳涂裝是電化學和高分子化學相結合的新技術。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，通過電化學反應，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90-95%）；膜層厚度均勻，附著力強，涂裝質量好等特點。

　　　　表4 不同表面處理工藝對比

2.4

化學鍍鎳

化學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。化學鍍適合于管狀或外形復雜的小零件的光亮鍍鎳，不必再經拋光，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]對鎂鋰合金化學鍍鎳工藝進行研究，其工藝經優化后鎂鋰合金的耐蝕性能大幅提高。

3、鎂鋰合金的應用

鑒于鎂鋰合金具有的獨特性能優勢，在對材料減重有迫切需求的航空航天、武器裝備及3C產業等民用領域具有巨大應用空間。

3.1

航空航天領域

航空、航天領域產品的結構減重已經進入“克克計較”的時代，隨著鎂鋰合金在力學性能、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，從而減輕飛行器質量，促進航空航天事業的發展。

作為國內最早進行鎂鋰合金研發、生產的企業，鄭州輕研合金科技有限公司在鎂鋰合金產業化應用方面做了大量研究，并取得了一系列產業化應用成果。由其研發的超輕鎂鋰合金解決了以往鎂鋰合金耐腐蝕性能差，不能在飛機艙外應用的難題，成功應用于我國某型號軍機吊艙，相比鋁合金材質減重了46%。經表面處理后通過國軍標三防標準，使用壽命可達10年以上。這是我國在航空吊艙領域首次應用這一種世界上最輕的金屬結構材料，為鎂鋰合金在航空領域惡劣環境下大規模應用取得了重大突破[10]。

　圖1 鎂鋰合金航空光電吊艙

3.2

國防軍工領域

相關研究表明，對洲際導彈，運載火箭等裝備進行輕量化改進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、精度更高、成本更低，可滿足未來作戰遠程投放、快速部署、機動作戰等戰術需要。

3.3

3C產業

鎂鋰合金具有優異的電磁屏蔽性能，因此采用鎂鋰合金制備3C產品零部件，不僅能夠實現減重效果，還能夠減少電磁干擾，使傳輸的數據更真實準確。而其作為殼體材料使用時還能夠減少電磁對人體的損害。　　　　

結束語

鎂鋰合金作為最輕的金屬結構材料在結構減重等方面具有明顯優勢，在航空航天等領域越來越受到重視。通過對鎂鋰合金進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等領域已經有了突破性的應用。隨著近年來研究的深入和工藝、制造技術的進步，鎂鋰合金在航空航天等領域必將得到更加廣泛的應用。

參考文獻

[1]張密林,F.M.Elkin.超輕鎂鋰合金[M].北京科學出版社,2010

[2]R.J.Jackson,P.D.Frost.Properties and Current Applications of Magnesium-lithium Alloys[R]Technology Utilization Report NASA SP-5068,1967

[3]王軍武,劉旭賀,王飛超,肖陽.航空航天用高性能超輕鎂鋰合金[J].軍民兩用技術與產品，2013（6）：21-24

[4]馬春江,張荻,覃繼寧.Mg-Li-Al合金阻尼性能的研究[J].材料工程，2001，216(5):12?14

[5]Song,G.L.,&Atrens,A..Corrosion Mechanisms of Magnesium Alloys.Advanced Engineering Materials,1(1),11–33

[6]Recent Progress in Corrosion and Protection of Magnesium Alloys.Advanced Engineering Materials,7(7),563-586

[7]宋光鈴.鎂合金腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社,2006

[8]郭曉光,解海濤,劉旭賀,肖陽,趙紅亮.LAZ900鎂鋰合金化學鍍鎳前處理工藝[J].中國表面工程，2015，28(1)：69-75

[9]郭曉光,解海濤,劉旭賀,肖陽,姚瑋.LZ91鎂鋰合金化學鍍鎳工藝[J].表面技術，2016，45(12)：43-49

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

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