鎂鋰合金制造工藝技術研究及應用現狀

劉蘭波 李 源 柴艷紅 劉 娜 毛 喆 陳敏豪

鎂鋰合金制造工藝技術研究及應用現狀

劉蘭波 李 源 柴艷紅 劉 娜 毛 喆 陳敏豪

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

針對鎂鋰合金的制造工藝技術研究進展進行了分析，系統性總結了近年來國內外高校、企業以及科研院所在鎂鋰合金精密加工、熱處理、焊接及表面處理等方面的研究成果，討論了鎂鋰合金作為減重替代材料在國內外航空航天以及民用等領域的應用，并對未來可能的發展方向進行了展望。

鎂鋰合金；制造工藝；材料應用

1 引言

鎂鋰合金作為一種輕質材料，密度一般為1.3～1.65g/cm3，較之傳統鎂合金（1.8g/cm3）與鋁合金（2.5～2.88g/cm3）均更低，作為減重材料替換的效果明顯。在此基礎上，優秀的比強度與比剛度以及抗震性能使其作為結構件材料的性能較為優異，而其優良的抗高能粒子穿透性、電磁屏蔽性、導熱性等特點使得其具有巨大的潛力應用于航天電子產品的殼體、框架等結構材料[1～4]。鎂鋰合金材料除了密度低的特性以外，與常規的鎂合金相比具有更優的抗變形性能，這使得其在常溫塑性加工（軋延、沖壓等）、鑄造成型和半固態成型等工藝上具有一定優勢[5～8]。但是鎂鋰合金材料由于本身活性較高，導致其材料制造處理成本高并且存在易腐蝕的問題，這也成為了制約該材料廣泛應用的重要原因，同時也是其相關制造加工工藝、表面處理、熱處理以及焊接等工藝研究的重要方向。

目前相關的研究與發展主要是朝著質量更輕、強度更高、耐蝕性更優、耐高溫性更好的幾個方向發展。上世紀90年代以來，美、德、澳、日等國均出臺了各自的鎂材料研究計劃，開展相關材料攻關扶持研究。與國際相比，國內對于鎂鋰合金的研究與實際工程應用依然處于起步階段。近年來，中南大學、東北大學、哈爾濱工程大學、西安四方超輕材料有限公司（簡稱“四方公司”）、中國鋁業股份有限公司鄭州研究院（簡稱“中鋁鄭州研究院”）、航天科技集團等高校、企業以及研究機構在該材料的研究與應用方面也取得了很大進展。本文系統歸納并總結了國內外關于鎂鋰合金加工工藝、熱處理工藝、焊接工藝、表面處理工藝方面的研究以及應用現狀，并對未來鎂鋰合金材料的研究與應用進行了展望。

2 鎂鋰合金精密加工工藝技術研究

鎂鋰合金的加工工藝技術的研究主要分為兩類：一類是基于材料本身的制成工藝技術研究為基礎，開展相關材料產業化制備研究；另一類則是基于已有牌號的材料產品開展相關材料改性優化與加工制備方面的研究。鎂鋰合金材料產業化制備較為成功的有四方公司與中鋁鄭州研究院。四方公司實現了鎂鋰合金產品制備技術突破，并于2010年已經建成了國內第一條鎂鋰合金生產線。中鋁鄭州研究院則是突破了鎂鋰合金熔鑄與加工的關鍵瓶頸，進一步實現了其薄板、板材、以及大型鍛件制備的產業化發展[4]。在材料改性和加工工藝研究方面，華東理工大學根據鎂-鋰二元合金相圖及鋁元素在合金中的作用，基于LA63 鎂鋰合金進行了擠壓和熱軋研究與突破[5]。河南科技大學基于LAZ1201鎂鋰合金開展不同變形量（30%，50%，70%）的熱軋實驗，掌握了軋制變形量對顯微組織及力學性能的影響[6]。湖南科技大學通過對LZ91鎂鋰合金薄板開展系列實驗研究，包括金相電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電鏡、X射線衍射儀、硬度測試、室溫拉伸、杯突試驗等手段，掌握了冷軋變形工藝以及退火工藝對該材料板材產品成形性能的影響[7]。中國礦業大學（北京）則開展了LAZ933鎂鋰合金板材冷軋增強材料強度的研究，通過系列實驗得出了板材的硬度與抗拉強度隨著其冷軋處理累積變形率的增加而提高的結論[8]。

上海航天電子技術研究所通過開展線切割、電火花、機加工等工藝攻關試驗，掌握了鎂鋰合金加工方法、電火花放電間隙、加工刀具材質、刀具幾何參數及切削用量等關鍵問題，基于工藝試驗總結了鎂鋰合金安全生產過程中的注意事項和防護措施，掌握了鎂鋰合金復雜型腔殼體類零件的加工工藝技術；進一步完成了鎂鋰合金電子單機殼體零件加工，如圖1所示，該殼體零件結構復雜，壁厚較薄最薄處僅有0.7mm，變形難控制，加工過程中涉及線切割、電火花、銑削加工等多種加工工藝。上海衛星工程研究所從衛星產品減重的應用需求出發，開展了復合材料中應用中埋件選用鎂鋰合金材料后的螺紋強度與膠接等性能研究（圖2）[9，10]。波導是航天產品減重的另一個重要的具有產業化潛力的產品，萊諾斯科技（北京）股份有限公司針對鎂鋰合金波導管產品的制備方法進行了研究并取得了突破，其產品符合國家標準要求，同時實現了生產成本的降低，其成品率可達到78%。

圖1 鎂鋰合金電子單機殼體及星敏支架

圖2 鎂鋰合金蜂窩板埋件及波導管產品

3 鎂鋰合金熱處理工藝技術研究

熱處理工藝是提升鎂鋰合金強度的重要途徑，也成為了國內外研究者的重要研究方向。其中最主要的研究方向為：材料熱擠壓改善；冷軋退火性能改善。

哈爾濱工程大學以Mg-4Li-4Zn-Y合金的熱壓縮試驗為基礎，開展材料的物相分析、顯微組織分析以及系列力學試驗，最終構建形成該鑄態和壓縮態合金材料的熱形變行為的本構方程與熱加工圖[11]。該團隊同樣針對Mg-8Li-4Zn-2RE合金開展了相關熱壓縮試驗與合金織構演變影響研究，得出了不同熱擠壓條件下的演變規律[12]。南昌航空大學通過熔煉技術制備了鑄態LZ61鎂鋰合金，并針對該材料與形態開展了熱壓縮變形行為研究，分析了變形溫度及應變速率對其熱變形行為的影響，并建立了本構方程[13]。中國礦業大學（北京）基于Gleeble3500熱模擬實驗機，對擠壓態的Mg-9Li-1Zn鎂鋰合金進行熱壓縮變形實驗，并基于該實驗繪制了流變應力-應變曲線，建立了本構方程以及應變為0.916時的熱加工圖[14]。

東北大學學者開展了系列實驗，通過取向分布（ODF）分析了新型Mg-9.3Li-1.79Al-1.61Zn合金中β-Li與α-Mg兩相分別在熱軋、冷軋與退火過程中形成的織構與強度[15]。中南大學基于Mg-8Li-3Al-1Y合金，開展了系列退火實驗，針對性研究了退火處理中的再結晶等現象，分析不同熱處理后材料屈服強度、抗拉強度和延伸率等力學性能的變化，最終得到了該材料最優的退火工藝參數：360℃×70min[16]。該團隊同樣制備了1mmMg-11Li-3Al-0.4Y厚度合金板材，并針對該含稀土的新型超輕鎂鋰合金在溫度范圍為50～200℃和應變速率范圍為0.001～0.1s?1的中溫變形行為和再結晶行為進行了研究分析[17]。湖南科技大學團隊發現經過冷軋中間退火200℃×1.0h后，LZ91鎂鋰合金發生的再結晶可以有效改善板材邊裂現象[18]。廣東科技學院則針對Mg-8.85Li-1.45Zn合金開展了退火工藝對強度性能影響研究[19]。

4 鎂鋰合金焊接工藝技術研究

針對鎂鋰合金焊接性能較差的問題，國內外學者開展了多方面的鎂鋰合金焊接工藝技術研究[20～27]。上海航天裝備制造總廠針對退火態的MBLS10-200 鎂鋰合金材料開展了攪拌摩擦焊技術研究（圖3）。該團隊針對性地分析了焊縫成型以及接頭組織特性與塑性損失機理，從力學性能出發開展了攪拌工具設計與改進、焊接工藝參數優化研究，有效地提升了接頭斷后伸長率（圖4）[24]。蘭州威特焊材科技股份有限公司和蘭州理工大學對高性能鎂鋰合金焊絲進行了開發研究[25]。合肥工業大學團隊則是針對鎂鋰合金分別開展了攪拌摩擦焊與真空電子束焊研究，基于系列試驗充分比較并分析了焊接接頭的宏觀組裝、顯微組織、成分能譜與顯微硬度[26]。重慶大學團隊開展了雙相LZ91鎂鋰合金攪拌摩擦加工改性以提高強度的研究，并進一步研究了LZ91鎂鋰合金表面植酸處理腐蝕行為和AZ31/LZ91攪拌摩擦搭接焊的接頭組織特征及性能[27]。

圖3 典型接頭斷裂位置示意圖

圖4 鎂鋰合金電子束焊焊縫橫截面形貌

5 鎂鋰合金表面處理工藝技術研究

鎂鋰合金因鎂、鋰元素均有較強的化學活性，致使該類合金材料耐蝕性較差，這也導致其在使用中需要一系列的表面防護處理。目前，鎂鋰合金的表面防護技術主要包括：電鍍、化學鍍、陽極氧化、化學轉化和涂層涂覆等[28～30]。上海航天設備制造總廠有限公司分別針對四方公司生產的兩種宇航用鎂鋰合金材料開展了表面處理工藝技術研究（圖5）： MBLS10A-200鎂鋰合金產品化學鍍鎳、化學氧化、微弧氧化、電鍍銀；MBLS4-250鎂鋰合金產品化學氧化、微弧氧化。

圖5 鎂鋰合金電子單機殼體與支架，表面處理分別為：化學鍍鎳、化學轉化膜、微弧氧化

鄭州輕金屬研究院和鄭州輕研合金科技有限公司在前期LZ91 鎂鋰合金試驗的基礎上，開展了不同鍍鎳配方及工藝對化學鍍鎳過程的研究，具體分析了工藝對鎳磷合金鍍層形貌、孔隙率、自腐蝕電流密度等的影響。其研究成果通過了國軍標規定的96h鹽霧測試性能[31]。上海大學和中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室采用電化學系列實驗研究了鎂鋰合金材料及其表面存在Al防護膜層的情況下在去離子水以及3.5%NaCl 介質中的腐蝕行為[32]。北京衛星制造廠以四方公司生產的MBLS10-200牌號鎂鋰合金為試驗對象，采用陽極氧化的方式制備了防腐、熱控一體化膜層，并基于此開展了工藝參數（陽極氧化電流、終止電壓、持續時間、封閉等）對膜層熱控性能的影響研究（圖6）。該研究系統化分析了工藝對膜層微觀形貌、熱控性能、膜層厚度、常壓熱循環性能、耐蝕性等影響因素[33]。

圖6 鎂鋰合金表面熱控膜層光學微觀形貌

西安科技大學以LA103Z鎂鋰合金為基材開展了微弧氧化防護研究，其微弧氧化陶瓷層采用恒電流控制模式制備，研究中陶瓷層的生長特性、微觀形貌及電化學腐蝕性等[34]。沈陽理工大學以雙相Mg-8%(wt)Li鑄態合金為研究對象，開展了植酸轉化技術實現表面防護的研究，具體分析了不同植酸質量濃度制備的轉化膜對合金腐蝕行為的影響[35]。哈爾濱工程大學和齊齊哈爾大學研制了一種SiO2@PANI/VTMS溶膠，以該溶膠滾涂至材料表面形成防護涂層，并充分研究了該涂層的附著力、疏水性能、防腐蝕性能并探討其防腐蝕機理[36]。

6 鎂鋰合金材料應用現狀

作為一種超輕合金，鎂鋰合金已經在國內外各領域，特別是航天領域得到了大量應用。NASA針對鎂鋰合金開發研制了LA141A、LA91、LAZ933A、Mg-14Li-0.5Si等系列材料，并應用于航天飛機、火箭與人造衛星產品。其中，LA141合金已被納入其航空材料標準AMS4386，應用于儀表框架和外殼防護罩、防宇宙塵壁板，以及波音公司制備的繞月衛星與火星登陸器等產品。更進一步，NASA的系列鎂鋰合金成果已經應用于了Saturn V運載火箭、美軍光學追蹤導引式導彈以及M113裝甲運兵車車體部件等軍工產品。俄羅斯則采用MA18和MA21鎂鋰合金應用于宇航領域的電器儀表件和外殼等零部件。國際上醫療與民用產品領域，鎂鋰合金也得到了研究與應用推廣。德國漢諾威大學將鎂鋰合金應用于了心血管植入件。日本企業三井金屬公司則是進一步應用于了筆記本電腦、手機、汽車、儀器殼體等產品（圖7b）[37，38]。

國內鎂鋰合金也已有大量產品應用，但主要應用于航天領域中[39～41]。發揮鎂鋰合金在宇航產品減重上的重要優勢，中國電科集團、航天科技集團以及中科院的相關院所將鎂鋰合金應用于電子設備模塊與結構模塊的殼體、支架類組件等產品（圖7c）。

圖7 國內外鎂鋰合金產品化應用實例

7 結束語

隨著國內學者與研究機構對鎂鋰合金材料基礎研究的不斷深入，新型鎂鋰合金材料在力學性能與耐蝕性等方面的提升，將使其有巨大的潛力以取代鋁合金和其他鎂合金，應用于航空航天、新能源汽車以及各類便攜式設備產品中。

隨著材料制造工藝的不斷成熟，鎂鋰合金材料自身制造成本將會隨之降低，未來將會從航天航空以及軍工領域進一步拓展至更廣闊領域的推廣應用。

隨著精密機械加工、焊接、表面處理、3D增材等各種制造工藝的不斷進步，未來鎂鋰合金將不限于制造殼體、支架、蓋板類結構件，具有潛力進一步應用于實現高功率微波器件的一體化制造。

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Research Progress of Manufacturing Technology and Application of Magnesium-lithium Alloy

Liu Lanbo Li Yuan Chai Yanhong Liu Na Mao Zhe Cheng Minghao

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

This paper reviews the domestic and overseas development progresses in the manufacturing technology of magnesium-lithium alloy.The research results of magnesium-lithium alloy in precision machining, heat treatment, welding and surface treatment by universities, enterprises and research institutes in recent years are systematically summarized.The applications of magnesium-lithium alloy as a weight reduction substitute material in aerospace and civil fields are discussed. And the possible development direction of this material in the future is prospected.

magnesium-lithium alloy；manufacturing technology；material application

TG146.2

A

上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目（21YF1417300）。

劉蘭波（1984），高級工程師，機械制造及自動化專業；研究方向：航空航天精密制造與裝配技術。

2022-09-07