在變形鎂合金中，Mg-Li系合金是一類特殊的合金，在結(jié)構(gòu)用的金屬材料中是密度最低的，被稱為超輕合金。鎂的密度1738kg/m3，鋰的密度534kg/m3。因此，根據(jù)成分的不同，Mg-Li合金的密度為970kg/m3~1350kg/m3，最輕的可以漂在水上，成為“水上漂浮”的合金，用于制造航空航天器結(jié)構(gòu)零件有著顯著的減重效果。2015年9月25日中國(guó)發(fā)射的“浦江一號(hào)”衛(wèi)星的一些零件就是中國(guó)西安四方超輕材料有限公司提供的，它于2010年建成中國(guó)首條Mg-Li合金生產(chǎn)線，現(xiàn)在生產(chǎn)能力100噸/年。在中國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星中，所用Mg-Li合金的密度比常規(guī)鎂合金的輕20%~30%，比鋁合金的輕40%~50%。中國(guó)衛(wèi)星使用Mg-Li合金零件尚屬首次。
　　相結(jié)構(gòu)及組成

　　這類合金的相組織為α+β，β相是Mg固溶于Li后形成的固溶體，體心立方結(jié)構(gòu)（bcc），滑移系多，塑性高，從而使合金具有較大的冷變形能力，不過隨著Li含量的增加，合金的強(qiáng)度下降（圖3）。在鑄態(tài)的α+β組織的β相基本中分布著魏氏組織形貌的α片。由相圖可見，在（α+β）和β相界上固溶度線是傾斜的，說明有些成形的合金具有一定的時(shí)效強(qiáng)化能力。
　　鋰含量＞10.3%的合金
　　這類合金的組織全部為鎂在鋰中的單一固溶體β相，體心立方晶格，有良好的冷、熱塑性加工性能與成形能力，加工率可達(dá)50%~60%，不過工業(yè)上應(yīng)用合金的鋰含量不應(yīng)低于13%。含15%Li左右的鎂合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步下降到約100N/mm2，再增加Li含量強(qiáng)度不再增加，伸長(zhǎng)率開始下降，加工成形性能惡化，這說明有商用價(jià)值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。
　　鎂的密度為1738kg/m3，鋰的密度只有534kg/m3，是一種稀有輕金屬，把它加到鎂熔體里，可以制得當(dāng)今世上最輕的金屬結(jié)構(gòu)合金。此外，它還具有如下特點(diǎn)：高的比剛度、高的比強(qiáng)度、高的阻尼性、高的抗輻射性、高的抗電磁干擾性與高的減震性等。
　　Mg-Li合金是當(dāng)下最輕的結(jié)構(gòu)合金，具有很高的比強(qiáng)度與比剛度，是制造輕量化零部件的最佳材料，但它們的化學(xué)活性高，抗腐蝕性能低，對(duì)一些雜質(zhì)，特別是鈉非常敏感，當(dāng)鈉含量大于0.06%，合金塑性就急轉(zhuǎn)直下。因此，Mg-Li合金僅獲得了有限的應(yīng)用，僅在那些對(duì)零部件質(zhì)量錙銖必究的行業(yè)，例如航天產(chǎn)業(yè)才有意義。
　　通常，還向Mg-Li合金添加少量的Al、Zn或Si，以改善某些性能，例如加入Al可以提高合金的蠕變抗力和穩(wěn)定合金的性能；加入Si可以形成Mg2Si，也有一定的強(qiáng)化作用；也可以向Mg-Li合金添加少量Zr、Pb、Ag或RE，都對(duì)某些性能有一定的正面影響，但都不顯著。Mg-Li-Zn合金有時(shí)效硬化效應(yīng)，Li含量較低時(shí)，合金為單一的α相組織，時(shí)效時(shí)由α基體中析出穩(wěn)定相θ（MgLiZn）而產(chǎn)生硬化，增大Li含量時(shí)合金組織為α+β，時(shí)效時(shí)由β相中析出亞穩(wěn)定的θ'相（MgLi2Zn）；Li含量再加大時(shí)，合金由單一的β相組成，時(shí)效時(shí)析出亞穩(wěn)定的θ'相而硬化。
　　Mg-Li-Al合金經(jīng)固溶處理（350℃/1h）與淬火后在50℃時(shí)效有一定的硬化作用，但會(huì)很快軟化。Zr是一種常用的微量合金化元素，能細(xì)化鑄造組織，提高合金的塑性變形能力，α+β合金的冷變形量可達(dá)90%，與純β相合金的冷加工率相當(dāng)。同時(shí)，Zr還能提高合金再結(jié)晶溫度，抑制材料的再結(jié)晶過程。
　　稀土元素對(duì)鎂合金有較大的強(qiáng)化作用，并對(duì)析出相的熱穩(wěn)定性有益，因而可以提高合金的高溫力學(xué)性能。
　　Mg-Li合金的抗蝕性低，是其主要不足處，Mn、Zn、Cd對(duì)其抗蝕性有利，特別是Mn的效果最為卓著。Cd含量＜4%時(shí)可提高合金的抗蝕性，大于4%則會(huì)降低抗蝕性。Si、Sb等顯著降低Mg-Li合金的抗蝕性。Al和Sn對(duì)Mg-Li合金抗蝕性的影響決定于含量，含量為0.6%~1.0%時(shí)，合金的抗蝕性承隨含量的增加而下降，超過1.0%后，抗蝕性隨含量增加而略有上升。向Mg-Li合金添加少量Al或Ca，可在表面形成穩(wěn)定性較高的Mg(OH)2化合物，有一定的保護(hù)作用，不但對(duì)抗蝕性有利，同時(shí)還能提高合金的塑性和抗蠕變性能。Mg-Li合金在潮濕大氣中有強(qiáng)烈的應(yīng)力腐蝕敏感性。
　　力學(xué)性能
　　微量Na會(huì)引起Mg-Li合金晶界脆化，因此熔煉時(shí)應(yīng)添加高純鋰。向Mg-Li合金添加Al、Ag、Cd、Zn等后，由于生成共格的LiaXb相，可產(chǎn)生明顯的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，但是溫度一升高（50℃~70℃），性能不穩(wěn)定，發(fā)生過時(shí)效，可以發(fā)生過度的蠕變。
　　Mg-Li合金的主要優(yōu)點(diǎn)是有良好的塑性變形能力，尤其是有優(yōu)秀的超塑性，在溫度250℃~375℃，Mg-8.5%Li合金的真應(yīng)變速率為10-5/s~10-3/s；Mg-8.5%Li合金具有超塑性行為，在350℃和10-4/s應(yīng)變速率條件可有610%的超塑性。該合金在200℃溫軋后的顯微組織為未再結(jié)晶的α+β。在超塑性變形時(shí)，顯微組織由開始時(shí)（α+β）的帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉?、等軸的、尺寸10μm的（α+β）晶粒，而m值由0.4增加到0.7。由此可知，此合金在超塑變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
　　Mg-Li-1%Y三元合金可在更高的應(yīng)變速率（10-3/s~10-2/s）雖現(xiàn)超過300%的超塑性，并且它的晶粒更為細(xì)小，因而有更高的超塑應(yīng)變速率和超塑性，有助于Mg-Li合金應(yīng)用的開拓。
　　變形Mg-Li合金的最大缺點(diǎn)是化學(xué)活性，在熔煉鑄造時(shí)易與空氣中的氧、氮、氫反應(yīng)，因此需在惰性氣氛中進(jìn)行。它的抗腐蝕性能比常規(guī)鎂合金的更低，有嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕傾向。向Mg-Li合金添加Al等合金化元素會(huì)進(jìn)一步降低其抗蝕性，因?yàn)樵姵刈饔脮?huì)更強(qiáng)。采用氟化物陽極氧化物處理可以改善Mg-Li合金的抗腐蝕性能，但是目前尚無一種可靠的表面處理工藝可以提高M(jìn)g-Li合金在溫度-濕度循環(huán)變化條件下的抗腐蝕性能。
　　鎂-鋰合金的熱處理
　　Mg-Li合金可以時(shí)效硬化，但在較高的溫度下會(huì)發(fā)生過時(shí)效。工業(yè)用Mg-Li合金通常采用T7處理，固溶處理288℃，穩(wěn)定化處理177℃。穩(wěn)定化處理可以消除Mg-Li合金的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。然而Mg-Li合金在焊接后必須立即對(duì)焊件進(jìn)行消除應(yīng)力處理，以除應(yīng)力腐蝕開裂。
　　Mg-Li-Zn合金有時(shí)效硬化效應(yīng)，但是硬化效應(yīng)大小決定合金成分。Li含量少時(shí)，合金由α相組成，由于從α基體中析出穩(wěn)定θ相（MgLiZn）而產(chǎn)生強(qiáng)化。
　　再增加Li含量，合金組織為α+β，而Zn主要溶于β相中，α相基本無時(shí)效強(qiáng)化作用。β相的時(shí)效強(qiáng)化是由于亞穩(wěn)定相θ'（MgLi2Zn）的析出，而過時(shí)效是由于從β相中析出α相及穩(wěn)定的θ相。
　　進(jìn)一步增加Li含量，合金全部由β相組成，由于可以從β相中析出θ'和α粒子而產(chǎn)生時(shí)效硬化，時(shí)效溫度上升，則析出穩(wěn)定相θ而發(fā)生過時(shí)軟化。β相的時(shí)效析出過程及析出相的作用：
　　研究表明，Mg-Li-Zn合金時(shí)效溫度越高，達(dá)到峰值硬度時(shí)間就越短，同時(shí)峰值硬度也越低，β相中的Zn含量越低，θ相析出時(shí)間雖有所延遲，但硬化效果卻更高一些。
　　Mg-Li-Al合金經(jīng)固溶處理（350℃×1h）于50℃時(shí)效時(shí)由于Spinodal分解，將出現(xiàn)時(shí)效硬化及過時(shí)效軟化過程。
　　Zr是鎂合金常用的一個(gè)微量合金化元素，添加Zr可細(xì)化晶粒，提高塑性加工能力，α+β合金的冷軋變形率可達(dá)90%，如不含Zr則只有全β相合金加工率方可達(dá)90%。同時(shí)，Zr可抑制合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，變形孿晶及滑移帶是再結(jié)晶晶粒形核點(diǎn)。
　　稀土元素對(duì)Mg-Li合金有一定的強(qiáng)化作用，含稀土的鎂-鋰-稀土化合物是熱穩(wěn)定性的，可提高合金在較高溫度下的力學(xué)性能。一些較成熟的Mg-Li合金的力學(xué)性能見(表1)。

　　含Li多的Mg合金時(shí)效時(shí)發(fā)生β→MgLi2X→MgLiX（X代表第三合金組元）轉(zhuǎn)變，由于MgLi2X為又硬又強(qiáng)的化合物，而MgLiX較軟，故過時(shí)效時(shí)析出MgLiX使合金強(qiáng)度降低，Li含量越高，軟化速度越快。因此，雙相組織（α+β）的Mg-Li合金成為研發(fā)重點(diǎn)。
　　工業(yè)用Mg-Li合金
　　二元Mg-Li合金力學(xué)性能不高，加入其他元素可以顯著提高它們的強(qiáng)度性能。常規(guī)鎂合金在各個(gè)產(chǎn)業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是Mg-Li合金目前的應(yīng)用領(lǐng)域有限，美國(guó)研發(fā)的和LS141A是獲得應(yīng)用的合金，它們的Li含量為13%~15%，前者還含0.75%~1.75%Al，后者還含0.5%~0.8%Si。LA141A合金是上世紀(jì)60年代美國(guó)航空航天局（NASA）研制的，它們的物理性能見(表2)及(表3)。

　　這兩個(gè)合金用于制造美國(guó)土星-V工程計(jì)算機(jī)外殼、蓋米尼（Gemini）計(jì)算機(jī)項(xiàng)目電路模塊蓋、民兵式導(dǎo)彈（Minuteman Missile）加速器外殼和導(dǎo)彈發(fā)射器（Tow）瞄準(zhǔn)裝置零件等。這些零部件之所以用LA141A與LS141合金制造是看中了它們有著難以替代的優(yōu)點(diǎn)：超低的密度（1350kt/m3）；超高的抗彎剛度，當(dāng)工件的質(zhì)量相等時(shí)，LA141A合金的抗彎剛度為普通鎂合金的2倍多，為鋁合金的5倍多；單相β組織，有很好的加工成形性能，可在室溫下成形。
　　LA141A、LS141A合金的Li含量均大于11%，組織為單一的體心立方晶格的β固溶體，有良好的塑性，可以在室溫下成形，進(jìn)行冷加工，在β相基體中還彌散地分布著面心立方晶格的LiAl相和亞穩(wěn)定的Li2MgAl相粒子。它們有一定的加工硬化效果。LA141A合金一般在T7處理（固溶處理、淬火和177℃穩(wěn)定化）后應(yīng)用，穩(wěn)定化處理可以消除此合金的應(yīng)力腐蝕敏感性。LA141A和LS141A合金同其他鎂合金一樣都可以進(jìn)行焊接，但由于Mg-Li合金的化學(xué)性質(zhì)比其他鎂合金的更高，因此焊后應(yīng)立即進(jìn)行應(yīng)力釋放處理，以防腐蝕開裂。
　　除了LA141A、LS141A合金外，在航空航天器制造中獲得實(shí)際應(yīng)用的還有LA91、LAZ933合金，它們的Li含量為9%~14%，密度為1250~1350kg/m3。
　　中國(guó)航天Mi-Li合金
　　關(guān)于中國(guó)航天鎂-鋰合金的成分尚未見到公開報(bào)道，不過從下面三點(diǎn)我們可以推定它的成分為：Li13%~15%，Al0.9%~1.5%，與美國(guó)的LA141A合金相當(dāng)。
　　它必須是單一的β相合金，才有良好的加工塑性和成形性能，為此其Li含量應(yīng)大于11%；
　　現(xiàn)在國(guó)外獲得工業(yè)應(yīng)用的Mg-Li合金的Li含量為9%~16%；
　　根據(jù)新聞報(bào)道，中國(guó)“浦江一號(hào)”衛(wèi)星用的Mg-Li合金材料“與鋁合金比能夠減重40%~50%，與一般鎂合金比能夠減重20%-30%”。如果按密度比一般鎂合金輕25%計(jì)算，那么它的密度正好與美國(guó)的LA141A Mi-Li合金相當(dāng)。
　　Mg-Li合金的化學(xué)活性極高，易與空氣中的氧、氫、氮化合生成穩(wěn)定化合物，遇明火會(huì)發(fā)生猛烈的燃燒，遇水會(huì)發(fā)生勢(shì)不擋的爆炸，因此應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下熔煉鑄造或在真空爐內(nèi)熔煉。
　　這批Mg-Li合金是西安四方超輕材料有限公司提供的，它于2010年建成中國(guó)首條Mg-Li合金生產(chǎn)線，現(xiàn)有生產(chǎn)能力100t/a。他們?cè)谘邪l(fā)Mg-Li合金過程中得到航天八院與西安交通大學(xué)柴東朗教授的大力支持與幫助。
　　結(jié)束語
　　MI-Li雖是一種最好的結(jié)構(gòu)合金，使用它制造結(jié)構(gòu)零部件，可降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但是它的力學(xué)性能較低，價(jià)格也不菲，因此不可能獲得較大規(guī)模應(yīng)用，只有在航天器這樣的部門才能有所應(yīng)用?，F(xiàn)在已有企業(yè)在生產(chǎn)，欲再建這類企業(yè)的投資者宜慎之。

　　Mg-Li二元合金相圖見（圖1，圖2）為二元相圖、合金相組成、冷軋塑性與鋰含量的關(guān)系，圖3為合金的力學(xué)性能與鋰含量、相組成的關(guān)系?？筛鶕?jù)鋰的含量及相組成將Mg-Li合金分為三類。
　　Mg-Li合金的分類
　　鋰含量＜5.7%的合金
　　這類合金的組織由Li在Mg中的單相α固溶體組成，密集六方結(jié)構(gòu)，塑性低，而且強(qiáng)度性能隨著Li含量的增加而下降，沒有商業(yè)使用價(jià)值。
　　鋰含量＞5.7%而＜10.2%的合金