1.3　主要的鎂鋰合金體系

Mg-Li二元合金強(qiáng)度低^{［51～53］}，其中（α+β）兩相合金的拉伸強(qiáng)度在110～120MPa，屈服強(qiáng)度在60～90MPa。β相合金的強(qiáng)度更低，拉伸強(qiáng)度在100MPa左右，屈服強(qiáng)度在60MPa以下，該合金抗蠕變性能差，在室溫或稍高于室溫時(shí)，在較小的應(yīng)力作用下即發(fā)生蠕變失效^{［54，55］}。因此，Mg-Li二元合金難以單獨(dú)使用。需要添加合金元素形成三元合金或者多元合金，以獲得高強(qiáng)度的合金。

用于合金化Mg-Li二元合金的合金元素可分為三類^［56］：一是固溶度較大的元素，如Al、Zn、Ag、Cd等；二是固溶度較小的元素，代表性元素是Sn、Ca、Si、Cu和RE；三是固溶度很小的元素，如Cr、V、Ti、Zr、Fe、Mn等。第一類元素的強(qiáng)化效果較好，但合金的組織及性能穩(wěn)定性較差，在室溫或稍高于室溫時(shí)易產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象；二類元素的強(qiáng)化效果較小，但組織及性能穩(wěn)定性好。到目前為止，研究較多的是第一類元素。合金化的目的就是通過合金化以及固溶時(shí)效處理，在合金基體中獲得彌散析出的強(qiáng)化相，同時(shí)抑制鋰的擴(kuò)散，從而提高強(qiáng)度和抗蠕變能力。代表性的三元合金是Mg-Li-Al系和Mg-Li-Zn系。

1.3.1　Mg-Li-Al系合金

Al是Mg-Li合金中最主要的合金元素之一。鋁因其熔點(diǎn)（660℃）與鎂相近，易于熔煉；密度較小，使合金的密度增加較少，在710K時(shí)，在32.3%Al、67.7%Mg處與鎂發(fā)生共晶反應(yīng)，在鎂合金中加入Al可以有效地降低液相線的溫度，而且單位重量的原子數(shù)多，強(qiáng)化效果好^［57］。

Al在固態(tài)Mg中有較大的固溶度，且隨溫度降低而顯著減少。圖1.3為Mg-Li-Al在200℃時(shí)的等溫截面圖^［58］。可以看出對(duì)于Li<10%（原子百分比，下同）時(shí)的合金，當(dāng)Al<3%時(shí)組織為單相α，當(dāng)Al>3%時(shí)組織為α+γ（Mg₁₇Al₁₂）。對(duì)于Li為10%～18.4%的合金，當(dāng)Al>1.5%～3%時(shí)合金組織為α+η（AlLi）。對(duì)于Li含量為18.4%～30%的共晶合金，當(dāng)Al<1.5%時(shí)組織無明顯變化，Al>1.5%時(shí)合金組織為α+β+AlLi。對(duì)于Li>30%的β合金，Al<2%時(shí)仍為單相β組織，Al>2%時(shí)可產(chǎn)生AlLi相。

Al在（α+β）相及β相Mg-Li合金硬化（強(qiáng)化）的主要機(jī)制是固溶硬化（強(qiáng)化）。如β相合金經(jīng)1h固溶處理時(shí)，隨固溶處理溫度升高，Al在β相中固溶量增加，晶格常數(shù)減小，原子間結(jié)合力增加，導(dǎo)致合金淬火后硬度增加。固溶處理溫度升高至350℃，Al全部固溶，合金硬度達(dá)到最大。相應(yīng)地，隨淬火溫度增加，合金淬火后強(qiáng)度增加；然而300℃以上淬火時(shí)由于再結(jié)晶晶粒粗大，其強(qiáng)度反而有可能降低，且表現(xiàn)為脆性斷裂，但通過適當(dāng)縮短保溫時(shí)間，抑制再結(jié)晶仍可獲得較高的強(qiáng)度。Mg-Li-Al合金經(jīng)固溶（350℃，1h），淬火處理后的時(shí)效（50℃）過程中，將出現(xiàn)時(shí)效硬化及過時(shí)效的軟化效應(yīng)^{［59～61］}。

隨鋁含量增加，鎂鋰合金的強(qiáng)度提高，但塑性降低、組織及性能穩(wěn)定性變差，易產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象，并且隨著鋁含量提高，過時(shí)效出現(xiàn)時(shí)間提前，由過時(shí)效產(chǎn)生的性能下降相對(duì)增加。有研究表明，高Li合金時(shí)效存在這樣一個(gè)過程：β→MgLi₂Al→AlLi^［62］，時(shí)效強(qiáng)化相MgLi₂Al是一個(gè)亞穩(wěn)相，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相AlLi^{［62，63］}。Song Guang Sheng指出在高于345K時(shí)，MgLi₂Al相就分解出穩(wěn)定相AlLi，并伴有α相析出，高于373K時(shí)分解基本結(jié)束^［63］。Alamo等研究了Mg-11.2Li-0.9Al合金，表明有如下相反應(yīng)機(jī)理^［64］：

β_q→β+θ'（MgLi₂Al）+α298K　　（1.1）

β_q→β+θ'（MgLi₂Al）+AlLi+α473K　　（1.2）

q指淬火后的即刻狀態(tài)，并指出Al含量小于0.7%時(shí)，AlLi相還是穩(wěn)定相。

我國研究人員在對(duì)Mg-8Li-1Al及Mg-11Li-3Al合金時(shí)效特性的研究過程中發(fā)現(xiàn)，MgLi₂Al是Mg-Li-Al合金的時(shí)效硬化相，但發(fā)生過時(shí)效并非是因?yàn)锳lLi相的生成，而是因?yàn)镸gLi₂Al時(shí)效硬化相發(fā)生了長(zhǎng)大，造成了與基體共格關(guān)系的破壞^［65］。

Mg-Li-Al系合金中，Al和Li的含量都不能過大，當(dāng)Al及Li的含量超過某一定值后，由于大量粗大的AlLi相沿晶界析出而引起晶間脆性，強(qiáng)度下降。Mg-Li-Al系合金中，Al含量一般控制在3%以下，如LA91、LAZ933、LA141等典型的Mg-Li合金牌號(hào)。

目前國內(nèi)外研究人員雖對(duì)Mg-Li-Al系的鎂鋰合金的時(shí)效行為有一些研究，但是對(duì)其時(shí)效行為還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，沒有找到好的抑制Mg-Li-Al合金發(fā)生過時(shí)效的方法。

1.3.2　Mg-Li-Zn系合金

鋅的熔點(diǎn)（420℃）較低，具有與鎂相同的晶體結(jié)構(gòu)（hcp），與鎂原子半徑相差不大，容易與鎂形成連續(xù)固溶體，在鎂中有較大固溶度（約為6.2%），并且隨溫度降低，固溶度減小而產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。鋅也是Mg-Li基合金中主要合金強(qiáng)化元素之一，還可以作為Mg-Li-Al系合金的補(bǔ)充強(qiáng)化元素，鋅能提高合金的應(yīng)力腐蝕敏感性，從而提高合金的疲勞極限。

Zn具有與Al類似的作用效果，即隨著Zn的增加，合金的強(qiáng)度增加而塑性下降。所不同的是單位質(zhì)量的強(qiáng)化效果較鋁差，若要達(dá)到相同的強(qiáng)度，所需Zn的質(zhì)量要多于Al，但是少量Zn的加入可以增加Al元素在鎂合金里的固溶度。隨Zn量的增加，合金硬度會(huì)增加，塑性下降較小，即使較高Zn的加入量時(shí)，合金的塑性仍較好，如在Mg-11Li中添加9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Zn時(shí)伸長(zhǎng)率仍可達(dá)到27%。

圖1.4為Mg-Li-Zn三元系在373K和673K的等溫截面圖^［56］。可見當(dāng)Zn<2%（原子百分比）時(shí)對(duì)Mg-Li合金的組織中的相組成無明顯影響，但當(dāng)Zn>2%（原子百分比）時(shí)，組織中即會(huì)出現(xiàn)θ（MgLiZn）相。

Mg-Li-Zn合金為時(shí)效硬化型合金，由于Li含量及Zn含量的差異，合金中第二相析出行為不同，導(dǎo)致其時(shí)效硬化行為的差異。當(dāng)合金中Li含量較少，合金由α相組成，時(shí)效時(shí)于基體α相中析出穩(wěn)定相θ（MgLiZn）而產(chǎn)生硬化^［66］。Li含量增加，合金由（α+β）兩相組成且Zn主要溶解于β相中；其中α相基本無時(shí)效硬化效應(yīng)，而β相將出現(xiàn)時(shí)效硬化及過時(shí)效的軟化效應(yīng)。這里β相的時(shí)效硬化效應(yīng)主要是亞穩(wěn)相θ'（MgLi₂Zn）析出而導(dǎo)致的；過時(shí)效效應(yīng)則是由于β相中析出穩(wěn)定的θ相所造成的。Li含量進(jìn)一步增加，合金全部由β相組成，同樣由于β相中θ'相和穩(wěn)定的θ相的析出，而導(dǎo)致合金的時(shí)效硬化及過時(shí)效的軟化^{［66，67］}。β相的時(shí)效析出過程及析出相的作用如下：

　　（1.3）

研究還表明，Mg-Li-Zn合金時(shí)效溫度越高，達(dá)到峰值硬度的時(shí)間越短，且峰值硬度越低，同時(shí)β相中Zn含量越低，θ相析出延遲，硬化效果更好。

因此，Zn在α單相Mg-Li合金中可適當(dāng)增加含量，但在（α+β）兩相及β單相合金中為避免發(fā)生過時(shí)效現(xiàn)象，Zn含量一般控制在2%（原子百分比）以下。