摘要：在航空航天、3C产品、国防军工等领域，材料的轻量化与高性能化始终是核心需求。超轻Mg-Li合金以其“轻质高强”的独特优势，成为近年来备受瞩目的“明星材料”——它的密度仅为1.3~1.65 g/cm³，约为铝合金的1/3，却兼具高比强度与优异的成形性，已在卫星部

导读

在航空航天、3C产品、国防军工等领域，材料的轻量化与高性能化始终是核心需求。超轻Mg-Li合金以其“轻质高强”的独特优势，成为近年来备受瞩目的“明星材料”——它的密度仅为1.3~1.65 g/cm³，约为铝合金的1/3，却兼具高比强度与优异的成形性，已在卫星部件、高端笔记本电脑外壳、单兵装备等场景崭露头角。然而，其强度不足、耐腐蚀性差等问题仍需突破。安徽工业大学孙月花团队深耕这一领域，系统解析合金化与塑性变形对Mg-Li合金的改性机制，为推动其大规模工程应用铺路搭桥。

当你使用轻薄便携的高端笔记本电脑时，当火箭搭载卫星冲破天际时，超轻Mg-Li合金正悄然发挥着关键作用。在航空航天领域，某型火星探测器的着陆腿部件采用Mg-Li-Zn稀土复合材料，密度仅1.57 g/cm³，却能承受火星表面的复杂冲击；卫星支架使用Mg-Li合金后，结构重量减轻20%，载荷能力显著提升。在3C电子领域，某品牌旗舰手机的一体化机身采用Mg-Li-Al合金，不仅实现了40%的减重，还凭借优异的电磁屏蔽性能，为5G信号保驾护航。国防军工领域更是Mg-Li合金的重要战场：轻量化防弹头盔密度仅1.45 g/cm³，重量较传统钢盔减轻60%，却能满足严苛的防弹标准。

然而，这些亮眼应用的背后仍有隐忧：目前Mg-Li合金的抗拉强度多在130~200 MPa，难以满足高载荷场景；海洋、高温等复杂环境下的腐蚀问题也亟待解决。合金化（如添加Al、Zn、稀土元素）与塑性变形（挤压、轧制等工艺）被视为两大“破局关键”，但两者如何协同优化组织性能、调控变形织构，仍需深入探究。

【内容来源】

本文由安徽工业大学孙月花、张帆、任建等学者发表于《特种铸造及有色合金》2025年第3期（DOI：10.15980/j.tzzz.Z20240002）。文章题为《超轻Mg-Li合金的合金化和塑性变形研究进展》，通过综述近年来的研究成果，分析了Al、Zn、Si、Ag、稀土元素等对Mg-Li合金组织性能的影响，探讨了挤压、轧制等塑性变形工艺对其显微组织和织构的调控作用，总结了当前研究中的问题并展望了发展方向。

【研究亮点】

-应用导向：紧密围绕航空航天、电子信息、国防军工等领域需求，解析合金化与变形工艺对性能的提升机制。

-机制揭秘：首次系统梳理稀土元素抑制晶界偏析、深冷轧制细化晶粒等关键机制，为高性能合金设计提供“路线图”。

-前沿聚焦：关注大塑性变形（如高压扭转、搅拌摩擦加工）等新兴工艺，展现Mg-Li合金的性能提升潜力。

【研究方法】

研究团队通过文献调研与理论分析，结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等表征手段，深入分析不同合金元素（Al、Zn、稀土等）在Mg-Li合金中的固溶强化、第二相强化效应，以及挤压、轧制等工艺对晶粒尺寸、织构分布的调控规律。通过对比不同工艺条件下的显微组织与力学性能数据，揭示了合金化与塑性变形协同改性的核心机制。

【内容解读】

1 合金化对Mg-Li合金的影响

合金化是改善Mg-Li合金力学性能最简单且有效的方法之一。合金元素可固溶在合金基体中产生固溶强化效应，也可与基体元素反应生成金属间化合物产生第二相强化效应，从而达到提高合金力学性能的目的。

Al是Mg-Li合金中常见的合金元素，其在Mg中的固溶度大，最大可达12.7%。含Al的Mg合金可进行热处理强化，且Al的低密度有助于保持合金的低密度。研究发现，随着Al含量增加，合金的屈服强度和抗拉强度提高，塑性降低。通常，Mg-Li-Al合金中Al的添加量不超过6%。合金中可能存在的金属间化合物包括Mg17Al12、MgLi2Al、AlLi等，其中Mg17Al12和MgLi2Al为强化相，AlLi为软化相。研究表明，在高Li含量的Mg-Li-Al合金中存在相转变β-Li→MgLi2Al→AlLi。添加微量的Ag、Cu、Ca、Ce或其他稀土元素可改善合金的显微组织并提高其力学性能稳定性。

图1 Mg-Li-Al-Zn合金中AlLi相和MgLi2Al相的形貌

Zn和Mg的原子半径接近，且具有相同的密排六方（hcp）晶体结构，可与Mg形成连续固溶体。根据Mg-Zn二元相图可知，Zn在Mg中的固溶度较大，在共晶温度（340 ℃）下最大固溶度可达6.2%，且随温度降低固溶度变化明显，可产生时效强化。但Zn的密度较高（7.14 g/cm3），为保持Mg-Li合金轻质的优势，Zn的加入量不宜过高。

图2 Mg-Li-Zn合金中的MgLiZn相和（Mg，Li）3Zn相的透射照片及电子衍射斑点

Si是一种常见的低价非金属元素。由Mg-Si二元相图可知，Si在Mg中的固溶度极小，主要以Mg2Si形式存在。通常，Mg-Li合金中Si的添加以Al-Si共晶形式加入，其强化效果优于单一Al元素。ZHANG C等研究了Al-Si共晶对不同Li含量Mg-Li合金的组织与性能的影响，发现3%（Al-Si）共晶的添加除了使合金中生成Mg2Si强化相外，分别在Mg-4Li、Mg-8Li和Mg-12Li合金中生成Al3Li、AlLi和Li3Al2相。ZHAO Z L等系统研究了Al-Si共晶对α单相Mg-4Li合金、α+β双相Mg-8Li合金、β单相Mg-12Li合金的组织与力学性能的影响。发现在α单相Mg-4Li合金中添加Al-Si共晶可生成Al3Li和Mg2Si强化相（见图3），且Mg2Si相的存在可抑制晶粒长大，因此Al-Si共晶强化Mg-4Li合金是第二相强化和细晶强化的共同作用的结果。在α+β双相Mg-8Li合金和β单相Mg-12Li合金中添加Al-Si共晶，析出相为AlLi软化相和Mg2Si强化相，当Al-Si共晶添加量分别为5%和7%时，合金的综合力学性能达到最佳。当Al-Si共晶添加过量时，脆性强化相Mg2Si出现偏聚现象，导致合金的抗拉强度和伸长率降低。表1为部分Mg-Li-（Al-Si）合金的力学性能。

图3 Mg-4Li-3（Al-Si）合金中的Al3Li相和Mg2Si相的明场像和高分辨照片

金属Ag可抑制Mg-Li合金过时效，改善合金的组织和性能稳定性。Ag在Mg和Li中均有较大的固溶度（分别约为15%和40%），且固溶度随温度的降低而减小。因此，Ag在Mg-Li合金中的强化作用主要以固溶强化为主。Ag在Mg-Li合金中可与Mg形成Mg4Ag、Mg3Ag和MgAg相，与Li可形成AgLi相，这些相都可作为稳定强化相提升合金的强度。此外，Ag还在改善Mg-Li-Al和Mg-Li-Zn系合金的组织和性能稳定性方面具有显著作用，可以抑制该类合金的过时效。由于Ag价格高，限制了Ag在Mg-Li合金中大规模使用。因此，一般情况下加入Ag的主要目的不在于提高Mg-Li合金的强度，而是用于改善合金组织和性能稳定性。

Zr是一种常用的晶粒细化剂，对Mg-Li合金也同样有明显的细化效果，有利于改善合金的组织和力学性能。Zr作为晶粒细化剂添加量不宜过高，一般以0.1%~0.3%为宜。当Zr含量过高时，Zr对元素扩散的阻碍作用增大，导致热处理效果不佳，从而降低合金的强度和伸长率。

向镁合金中添加微量稀土元素具有净化熔体、细晶强化、固溶强化、析出强化、改善铸造性能和加工性能、提升热稳定性等作用，从而改善合金的力学性能和耐蚀性能。

在Mg-Li合金中复合添加Zn和部分稀土（如Y、Gd、Er和Nd）元素可形成Mg-Zn-RE三元相，如W相（Mg3Zn3RE2，面心立方结构）、I相（Mg3Zn6RE，二十面准晶结构）和LPSO相（Mg12ZnRE，长周期有序堆垛结构），这些三元相的生成取决于Zn、RE质量比 。其中，W相强度不高，与α-Mg基体呈非共格界面关系，其热稳定性低于I相，对合金的性能不利。在Mg-Zn-Y合金中，当x（Zn）/x（Y）>4时主要以I相为主，当x（Zn）/x（Y）为1~4时，W相和I相同时存在，当x（Zn）/x（Y）

图4 Mg-Li合金中I相、W相和LPSO相的形貌

2 塑性变形对Mg-Li合金的影响

Mg合金通常都要经过塑性加工才能成为最终应用的产品和部件。虽然目前部分镁合金产品仍然采用铸造件，但铸造件具有易于产生缺陷、组织晶粒粗大、力学性能差等缺点，限制了镁合金的广泛应用。塑性变形（包括挤压、轧制、锻造等）可有效减少缺陷、细化晶粒、改善合金的显微组织，更重要的是可通过工艺调整获得产品所需的性能要求，从而为镁合金的大范围应用奠定基础。

Mg-Li合金作为一种超轻质Mg合金，挤压也是最常用的塑性变形方式。在挤压过程中，影响Mg-Li合金组织和性能的因素很多，包括挤压温度、挤压比、挤压速度和均匀化处理等。挤压温度是挤压过程中最重要的试验参数。挤压温度过低，则Mg-Li合金难以挤压成形，而过高的挤压温度则会导致Mg-Li合金在挤压过程中发生燃烧甚至爆炸等危险事故。锭坯的加热温度理论上可根据合金相图、再结晶图和塑性图等来确定，应确保锭坯温度高于再结晶温度而低于固相线温度。挤压比的合理选择可以确保挤压产品获得较佳的组织结构和理想的力学性能。Mg合金挤压比一般为10~100。挤压速度和均匀化处理对Mg-Li合金的影响鲜有报道。挤压速度受合金成分、挤压温度、挤压设备、润滑条件等多因素影响，而挤压速度直接影响挤压成品的表面质量。当挤压速度较低时，合金的表面质量良好，随着挤压速度增加，合金的表面质量变差。若挤压速度过高可能会引起表面裂纹。均匀化处理主要是消除晶内的组织偏析和成分偏析，提高合金的可挤压性能，同时也有利于改善挤压合金的显微组织和力学性能。

图5 铸态和不同挤压比的挤压态Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y合金的显微组织与EDS分析

轧制是将金属坯料通过轧辊的压缩使材料发生塑性变形的一种压力加工方法，通常分为热轧和冷轧。普通镁合金由于塑性变形能力较差，通常在热态下才具有良好的轧制性能，因此大部分普通镁合金的轧制都选择热轧。Mg-Li合金由于Li的加入降低了非基面滑移所需的临界剪切应力，尤其是β-Li相的出现大大提高了Mg-Li合金的塑性变形能力。因此，Mg-Li合金既可热轧也可冷轧，甚至可进行深冷轧制。热轧多用于塑性变形能力较差的α-Mg单相Mg-Li合金。冷轧一般用于塑性变形能力较好的α-Mg+β-Li双相和β-Li单相Mg-Li合金。深冷轧制主要利用某些金属材料在深冷条件下具有优异的塑性变形能力以及阻碍塑性变形过程中位错运动和再结晶行为的能力，促使材料晶粒细化，赋予金属材料更高的强度和韧性。深冷轧制通常采用液态气体对轧件进行冷却，使轧件在深冷环境下（一般低于-100 ℃）进行塑性变形。与热轧和冷轧相比，由于变形温度低，深冷轧制可获得完全不同于常规轧制制备的微观组织和力学性能。目前，深冷轧制主要应用于制备高性能铝合金、铜合金、钛合金等，因为这些合金在深冷条件下具有优异的塑性变形能力。

采用传统的挤压、轧制、锻造以及随后的热处理工艺，可获得晶粒组织细小且力学性能优良的合金产品，但有时仍难以满足部分产品对高性能的需求。大塑性变形（SPD）由于其独特的应力状态可获得超细晶、特殊的织构组分以及优异的力学性能，被广泛用于试验研究和生产应用。常用的大塑性变形有等径角挤压（ECAE/ECAP）、等径角轧制（ECAR）、高压扭转（HPT）、累积叠轧（ARB）等。目前，采用大塑性变形制备Mg-Li合金已有大量研究报道，其中等径角挤压最为普遍。大塑性变形主要通过细晶强化来获得优异的综合力学性能，甚至可以将Mg-Li合金的晶粒细化到亚微米级别。然而，大塑性变形处理的试样尺寸极其有限，阻碍了实际应用。搅拌摩擦加工（FSP）通过施加工具的大载荷和低转速，可以将加工区域的晶粒尺寸细化到亚微米级别，同时获得优异的力学性能和耐蚀性。

3 变形Mg-Li合金的织构

变形Mg合金织构是塑性变形过程中晶粒转动和取向定向流动的结果。近年来，Mg-Li合金的研究除了集中在合金化和塑性变形对合金显微组织、力学性能和耐蚀性等的影响，关于Mg-Li合金的变形机理和织构演变的相关研究也较多。Mg-Li合金的织构受合金元素、变形方式、变形温度和变形程度等因素的影响。

合金元素对Mg-Li合金织构的影响主要是因为合金元素的加入改变了Mg晶格的c/a轴比。Mg的c/a轴比影响着Mg合金的基面滑移和非基面滑移的临界分切应力值，进而影响合金的变形机制。金属Mg具有较大的c/a轴比（1.624），因此室温下通过基面滑移和孪生实现变形。Li的加入可降低Mg合金的c/a轴比，使Mg-Li合金室温下棱柱面滑移和锥面滑移成为可能。稀土元素（如Y、Nd等）的加入也会削弱Mg-Li合金的基面织构，降低合金的各向异性。稀土元素对hcp结构的Mg-Li合金织构的影响主要归因于以下几个方面。首先，稀土元素的加入降低了Mg晶格的c/a轴比和晶格对称性，从而激活了非基面滑移系。其次，稀土元素的加入会与合金中的Mg、Al等元素发生反应形成金属间化合物，可促进热变形过程中的动态再结晶，同时为动态再结晶晶粒提供更加自由的取向，从而导致合金的基面滑移减弱。这种效应称为粒子激发形核（PSN），是稀土元素导致Mg-Li合金基面织构弱化和非基面滑移激活的另一个主要原因。再者，由于稀土元素的原子扩散速度较慢，固溶在Mg基体中的稀土元素会产生溶质拖拽效应，可改变晶界的移动和再结晶机制，进而影响晶粒的取向。最后，添加的稀土元素固溶在Mg基体中会增加合金的层错能，促进位错滑移从基面转向非基面，从而激活非基面滑移系。

【主要结论】

强化路径清晰：合金化（尤其是稀土元素）与塑性变形（如深冷轧制、SPD工艺）是提升Mg-Li合金强度、耐蚀性的核心手段。

工艺优化关键：通过控制挤压比、轧制压下量等参数，可精准调控晶粒尺寸与织构，平衡材料的强度与塑性。

未来方向明确：聚焦纳米时效析出相设计、低成本非真空熔炼技术、复合材料开发，是推动Mg-Li合金在高端装备中大规模应用的关键。

【引用格式】

中文：孙月花，张帆，任建，等. 超轻Mg-Li合金的合金化和塑性变形研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（3）：321-333.

英文：SUN Y H，ZHANG F，REN J，et al. Research progress in alloying and plastic deformation of ultralight Mg-Li alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（3）：321-333.

扩展阅读：欢迎登陆，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。

编辑/排版：江姗

校对：刘晨辉

审核：张正贺

来源：特铸杂志