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鎂鋰合金材料及其航天應用
（一）概述
由於鎂屬於密排六方（hcp）晶體結構，滑移系少，塑性低，且在高溫下易於氧化，成形加工能力差，制約了鎂及其合金的使用。向Mg中加入可降低鎂合金的密度，還能夠大大提高其塑性且使其能夠在室溫下變形，避免了高溫氧化的問題，經過擠壓、軋製等方式變形後，合金在保持較好塑性的同時具備了較高的強度，成為一種效能較為優異的超輕結構材料。因此，對Mg-Li合金的研究具有重要的實際意義。
Mg-Li合金是目前最輕質的合金，其密度一般為1.35～1.65，為鋁合金系的1/2～2/3，為普通鎂合金的3/5～3/4，比玻璃橡膠等許多無機物及有機物還輕。Mg-Li合金具有高比強度、比剛度、彈性模量和良好的高、低溫韌性，同時還具有一般鎂合金所具備的良好的阻尼減震性、導熱性、電磁遮蔽性、抗高能粒子穿透能力以及機械加工效能優良、易回收等優點，在航空、航天、汽車、3C產業、醫療器械等領域都有著巨大的發展潛力，可部分替代目前應用於航空航天領域的鋁及鋁合金材料，具有廣泛的應用前景。
（二）國內外發展現狀
當Li含量超過5.7wt%時，Mg-Li合金的組織中除了密排六方結構的基體相外，還會出現體心立方結構相。這是在1910年，德國Masinflo在研究Li、Na、K與Mg相互作用時，意外地發現Mg和Li發生有趣的結構轉變，並認為該結構是超結構。1934～1936年，德、美、英三國研究者相繼研究了鎂鋰合金的結構轉變，測定了二元合金相圖，證實了Li含量達5.7wt%時出現hcp-bcc結構轉變。
1954年，Frentll等人提出了完整精確的Mg-Li二元相圖。二戰爆發後，戰爭對飛行器、軍事裝備車輛效能要求的提高，推動了鎂在宇宙領域的快速發展。1942年，美國冶金學家提議向鎂基合金中新增金屬鋰，使鎂基合金的晶體結構由密排六方變成體心立方，以期改善合金的加工效能，並同時降低合金的比重。
隨著Mg-Li合金研究的廣泛深入，並取得了一些積極的結果，Mg-Li合金的研究引起了美國航天部的注意，並最終在航天飛行器上得以應用。美國Battel研究所、海軍部、宇航局開始大規模合作研製Mg-Li合金，目標是開發出密度低、比強度高、比剛度高、成形性良好，各向異性不明顯的超輕合金。隨後美國坦克指揮部與道化公司合作成功開發了LAZ933Mg-Li合金，被用於製造M13l裝甲運兵車車體部件，並通過了道路行駛試驗；而後陸軍彈道導彈部門與Battel研究所合作研製出LA141lMg-Li合金，被納入航空材料標準AMs4386。在“Apolol”宇宙飛船的起動火箭Satunl-V中的計算機、電器儀表框架和外殼、防宇宙塵壁板等多處得到應用。Agena--D的末級制動火箭上也用了Mg-Li合金部件，重量減輕了23kg。20世紀80年代，美國開始嘗Mg-Li合金的製備新工藝及MgLI基複合材料的製備，並製備出Mg-Li/B4C複合材料。此外，Mg-Li合金也用於電池上。
Mg-Li系合金有一系列尚待解決的問題，要透過重金屬元素的新增來獲得低密度、高比強度兼有其它優良效能（穩定性、耐蝕性等）的超輕合金看起來是比較困難的。因此，80年代中期開始，人們著手探索透過其它途徑來改善合金效能的可能性。這些途徑包括Mg-Li基複合材料、Mg-Li合金的快速凝固（RSP）工藝和Mg-Li-RE系合金等方面。同時，人們並未放棄傳統的提高合金效能的各種嘗試，即常規元素新增、冷熱加工、時效熱處理等方面。
從80年代起，各國開始嘗試使用新的方法制備Mg-Li合金，以尋求新的突破。麥道公司嘗試用快速凝固新技術製備了新型Mg-9Li-X合金，Gresing，Das分別研究了快速凝固Mg-Li-si合金和Mg-Li-Si合金的氧化性。斯坦福大學Sherby研究小組與海軍部合作研究了Mg-9Li-4%B4C，Mg-9Li/6063，Mg-9Li等合金與複合材料的常溫和高溫效能。另外，德國K．Schemme等人首次使用鐳射對Mg-Li-Al合金進行表面熱處理。
20世紀60年代中期至90年代，前蘇聯科學院開發出了MAl8、MA21等超輕Mg-Li合金，製備了強度與延展性較好、組織穩定的Mg-Li合金部件，應用於電器儀表件、外殼零件等部位。
日本人近年來對Mg-Li合金的研究較多，進行了Mg-Li合金新增常規元素、稀土元素（RE）的效能及時效機理、冷熱加工效能等方面的研究，並取得一定成果。日本學者於20世紀90年代進行了Mg-Li合金半固態加工的研究，據報道日本長岡技術大學的小島陽教授研製了一種超輕Mg-Li合金，比重為0.95，比水還輕，可用於航天以及諸如筆記本計算機等需要使用堅固而又輕質材料的電子產品。
隨著3C產業迅速發展，該類產品多有便攜性，人們對輕量化，環保型產品青睞有加，Mg-Li合金的應用也越來越多，打破了以往只侷限在航空飛行器上應用的局面。其中，日本法庫特公司與科貝爾克公司聯合開發的實用Mg-Li合金已投入批次生產，主要提供給需要不斷擴大的行動式輕量器材製造領域使用。此外，英國的Magnesium Electron公司已把LAl41合金投入商業化生產，其產品涵蓋了板帶材、擠壓材和鑄造材。
近年來，我國研究人員在充分吸收歐美等國的研究成果基礎上，進一步研究了Mg-Li合金超塑性，複合新增稀土元素Mg-Li合金，新型Mg-Li/SiQ，B203，siC複合材料以及對傳統合金（如LAl41合金）進行了壓蠕變等效能的研究，得出了令人鼓舞的結果。但同時也應該看到我國對Mg-Li合金的研究工作還處於起步階段，仍然缺乏Mg-Li合金特性基礎性研究工作，而Mg-Li合金的應用尚處於空白。2010年西安交通大學與西安四方超輕材料有限公司合作在西安閻良國家航空高技術產業基地建成了中國第一條鎂鋰合金生產線。2012年我國首屆鎂鋰合金應用推介會在西安召開，標誌著鎂鋰合金將進入量產，預計可達到年產100噸，這種新材料將進入航空、航天和能源等多個應用領域。
（三）Mg-Li合金技術難點
1、Mg-Li合金熔鍊成本較高：合金的熔鑄裝置、工藝複雜，需要進一步探索。
2、Mg-Li合金絕對強度低：需要透過合金化以及新的加工方式進一步提高合金機械效能。
3、Mg-Li合金耐熱性差：一般鎂合金的長期使用溫度範圍較低（不高於423K），而Mg-Li合金的使用溫度範圍更低。這嚴重限制了Mg-Li合金的使用範圍。
4、Mg-Li合金力學穩定性差：這是Mg-Li合金需要解決的難點，需要進一步研究Mg-Li合金時效機理，並透過新思想、新工藝來提高Mg-合金力學穩定性。
5、Mg-Li合金耐腐蝕性極差：Mg-Li系合金在潮溼大氣中的應力腐蝕敏感性很大。Mg-13Li-Al合金在0.01%NaCl溶液中進行環形應力腐蝕試驗時，合金被腐蝕成粉狀。可見，Mg-Li合金表面處理技術成為制約合金廣泛應用的關鍵因素。
（四）應用前景
鎂鋰合金作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、汽車和電子等領域展現出良好的應用前景。但其較差的耐腐蝕性是制約其應用的關鍵因素之一。
目前鎂合金防腐表面處理技術一般有化學轉化膜層技術、化學鍍鎳磷等方法、微弧氧化技術等。
1、化學轉化膜技術
化學轉化膜技術是鎂合金表面防腐蝕的有效方法。該技術透過鎂合金基體與某種轉化處理溶液相接觸，在金屬表面形成一層附著力良好的難溶化合物膜層，這層膜能夠保護底材金屬不受水和其它腐蝕性環境的影響，改善鎂合金零件的防護效能，獲得良好的外觀，還可以作為塗裝等後續處理的底層，提高後續塗裝漆膜的附著力，並且該方法操作簡單、成本低廉、成膜均勻。
目前鎂鋰合金的化學轉化膜處理方法有以下兩類：一類是磷酸鹽，高錳酸鹽作為成膜劑另一類是鉻酸鹽作為成膜劑。目前技術較為成熟的是鉻化處理，Sharma等人研究了Mg-Li合金的鉻酸鹽轉化膜，得到的膜層厚度為8—11微米，對鎂鋰合金的表面耐蝕性有很大的提高。但鉻酸鹽處理中含有毒性的六價鉻離子，汙染環境，對人體有害，並且廢液的處理成本高。因此，開發無毒的環保型鎂鋰合金化學轉化工藝具有重要的應用價值，已經成為當今的研究熱點。目前一系列適用於鎂合金的無鉻轉化處理技術，如磷酸鹽轉化膜、稀土轉化膜、錫酸鹽轉化膜鈷酸鹽轉化膜等已經得到了成功地發展，展現出良好的應用前景.
2、化學鍍鎳磷鍍層
由於鎂合金的電極電位很低，電化學活性很高，直接進行化學鍍時，金屬鎂會與鍍液中的陽離子發生置換反應，沉積的鍍層疏鬆多孔、結合力差，並且會影響鍍液的穩定性，縮短鍍液的使用壽命。所以為使鎂合金得到理想的鍍層，最重要的就是適當的前處理過程，一旦形成適當的底層，就可以進一步鍍覆我們所需效能的金屬或合金。目前鎂合金化學鍍鎳前處理有浸鋅法和直接化學鍍鎳法。直接化學鍍鎳法是指試樣在化學鍍鎳前在鉻酸和硝酸溶液中進行鉻化處理，再浸在氟化氫溶液中使其表面生成氟化鎂保護膜，再進行鹼性化學鍍鎳。而六價鉻致癌，對人體和環境造成危害，所以無鉻表面處理工藝的研究成為當今研究的熱點。
3、微弧氧化技術
微弧氧化（Micro. arc oxidation, MAO）是一種在陽極氧化基礎上發展起來的新技術。它是將AI、Mg、Ti等閥金屬或其合金置於電解液中，利用電化學方法，在材料表面產生火花放電斑點，在熱化學、等離子體化學和電化學的共同作用下，在閥金屬表面原位生長出與基體結合牢固，結構緻密，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫衝擊和電絕緣等特性的陶瓷膜層。該技術具有工序簡單、效率高，成本低，環境友好等特點。目前該技術已成功用於鋁合金、鈦合金以及鎂合金的表面處理。
目前國內外關於鎂鋰合金微弧氧化技術的研究還較少，國內某些高校在鎂鋰合金表面原位生長陶瓷膜層，並在此基礎上製備了微弧氧化/化學轉化複合塗層。