浅谈超轻镁锂合金性能、表面防护及应用

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镁锂合金是迄今为止最轻的金属结构材料,具有高的比强度、比刚度,突出的减震性能等优势,在航空航天等领域具有广阔的发展前景。本文概述了镁锂合金的特点及性能优势,介绍了镁锂合金的表面处理工艺,分析了其在航空航天、国防军工及民品方面的应用及市场前景。


镁锂合金;航空航天;轻量化;表面处理;产业应用

1 超轻镁锂合金特征及性能优势

镁锂合金是目前世界上最轻的金属结构材料。由金属镁和金属锂为主要元素制得的合金密度一般为1.35g/cm3~1.65g/cm3,比普通镁合金轻,比铝合金轻[1]。镁锂合金晶体点阵结构具有随锂含量转变的特点,根据镁锂合金二元相图可知:当锂含量为0~5.7%时,镁锂合金为以镁为基的α相;当锂含量为5.7%~10.3%时,镁锂合金晶体结构转变为α+β相;当锂含量大于10.3%时,则转变为以锂为基的β相[2]。


与钢铁、铝合金、工程塑料、碳纤维复合材料相比,镁锂合金不仅在比强度、比刚度等方面具有明显优势,在减震、电磁屏蔽、可焊接性等方面也具有优异的综合性能。


1.1  超轻、高比强度、高比模量


表1列出了2种镁锂合金和常用镁合金、铝合金及工程塑料的密度及机械性能。从表中可以看出,镁锂合金的密度低于常用镁合金,是铝合金的1/2~3/5,在金属结构材料中密度最小,与塑料相差不大;其比强度大于铝合金和塑料,与普通镁合金相当;其比模量与表中所列几种材料相比最高。


1.2  优异的刚性


在重量条件相同时,镁锂合金的刚性可达钢铁的22倍;而满足相同刚性所需的镁锂合金材料重量仅为钢铁材料的1/3左右。


镁锂合金具备的超轻、高比强度、高比模量,以及优异的刚性等特点,使得该材料成为最具减重潜力的金属结构材料。


表1 镁锂合金与其它结构材料性能比较[3]


1.3 良好的导电、导热性能


表2列出了2种常用镁锂合金和塑料、碳纤维复合材料等非金属材料的热导率和电阻率。从表中可以看出,镁锂合金的导电导热性能与非金属轻质材料相比具有较强的优势。其热导率约为塑料的300~400倍,是碳纤维复合材料的30~50倍;导电性约为塑料的1016倍,是碳纤维复合材料的104倍。


表2 镁锂合金与其它材料导电导热性能比较


1.4 突出的减震性能


表3列出了镁锂合金与其它材料内耗系数的比较[4]。较大的内耗系数表明材料在发生震动时可将更多的能量消耗于金属内部,从而达到减震效果,提高设备的可靠性,同时可以起到降噪的作用。与其它金属材料相比,镁锂合金具有更高的内耗系数。用镁锂合金制作设备底座或支脚,可有效减少其震动,提高设备的稳定性。


表3 几种材料的内耗系数比较


1.5 优异的电磁屏蔽性


镁锂合金具有比其它镁合金更优异的电磁屏蔽性能。以镁锂合金替代塑料制备便携式电脑、移动电话等设备的外壳,不仅可以提高设备的强度和耐冲击性能,还可以发挥镁合金的电磁屏蔽功能,提高移动电话的通话质量,减小电磁波对人体的伤害。


1.6  可焊接连接,具有良好机械加工及成型能力


镁锂合金可与本合金及其它镁合金采用TIG焊、激光焊接、搅拌摩擦焊等技术进行熔焊。其焊接为永久性连接,具有连接牢固、结构稳定、可靠等特点,可减轻结构重量,简化加工与装配工序。镁锂合金具有良好的机械加工及冷成型能力,能够进行室温冲压成型,且成品率在90%以上。


2  镁锂合金的表面处理

镁锂合金虽然在航空航天领域展现出了巨大的应用潜能,但由于镁元素与锂元素自身较强的活泼性,且飞行器需经受高低温交替、湿热、盐雾等极端气候的考验,镁锂合金的耐蚀性能成为限制其实际应用的关键因素之一。因此必须对其采用表面防护技术处理。


当前研究表明,通过阳极氧化、微弧氧化、电泳、化学镀镍等表面处理工艺可显著提高镁锂合金的耐蚀性和耐磨性[5-6]。郑州轻研合金科技有限公司在镁锂合金表面处理方面做了大量应用研究,表4列出其不同表面处理工艺对比。经过表面处理后镁锂合金样件可满足国军标三防标准。


2.1 阳极氧化


阳极氧化处理是指在一定浓度的电解液中,通过电流在金属表面形成具有保护作化膜与基材的结合强度优异、防腐蚀性能和用、一定厚度和稳定性的氧化膜[7]。阳极氧耐候性良好。此外,阳极氧化膜还有良好的热稳定性与绝热性能。


2.2  微弧氧化


微弧氧化是一种在轻金属表面原位生长陶瓷氧化膜的技术。采用较高的工作电压,将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域。通过微弧氧化可在镁锂合金表面生成一层致密的陶瓷膜,膜层与基体结合力强、尺寸变化小,耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击。


2.3  电泳


电泳涂装是电化学和高分子化学相结合的新技术。将零件浸入水溶性涂料中,零件通过电极与外加直流电源相连,通过电化学反应,使水溶性涂料均匀沉积在被涂物表面。电泳具有涂装效率高(涂料利用率可达90-95%);膜层厚度均匀,附着力强,涂装质量好等特点。


表4  不同表面处理工艺对比


2.4  化学镀镍


化学镀又称无电解镀或自催化电镀,是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂,使镀液中金属离子还原成金属并沉积到零件表面的一种镀覆方法。化学镀适合于管状或外形复杂的小零件的光亮镀镍,不必再经抛光,可提高零件的抗蚀性和耐磨性,增加光泽和美观。郭晓光等[8-9]对镁锂合金化学镀镍工艺进行研究,其工艺经优化后镁锂合金的耐蚀性能大幅提高。


3  镁锂合金的应用

鉴于镁锂合金具有的独特性能优势,在对材料减重有迫切需求的航空航天、武器装备及3C产业等民用领域具有巨大应用空间。

3.1  航空航天领域


航空、航天领域产品的结构减重已经进入“克克计较”的时代,随着镁锂合金在力学性能、耐蚀性等方面的逐步提高,未来可逐步取代铝合金和其他镁合金等材料,从而减轻飞行器质量,促进航空航天事业的发展。


作为国内最早进行镁锂合金研发、生产的企业,郑州轻研合金科技有限公司在镁锂合金产业化应用方面做了大量研究,并取得了一系列产业化应用成果。由其研发的超轻镁锂合金解决了以往镁锂合金耐腐蚀性能差,不能在飞机舱外应用的难题,成功应用于我国某型号军机吊舱,相比铝合金材质减重了46%。经表面处理后通过国军标三防标准,使用寿命可达10年以上。这是我国在航空吊舱领域首次应用这一种世界上最轻的金属结构材料,为镁锂合金在航空领域恶劣环境下大规模应用取得了重大突破[10]。



图1  镁锂合金航空光电吊舱


3.2  国防军工领域


相关研究表明,对洲际导弹,运载火箭等装备进行轻量化改进后可有效提升其使用效能。用镁锂合金替代铝合金、钛合金及铍合金,可获得20%~30%的减重效果。飞行器减重后,速度更快、飞距更远、精度更高、成本更低,可满足未来作战远程投放、快速部署、机动作战等战术需要。


3.3  3C产业


镁锂合金具有优异的电磁屏蔽性能,因此采用镁锂合金制备3C产品零部件,不仅能够实现减重效果,还能够减少电磁干扰,使传输的数据更真实准确。而其作为壳体材料使用时还能够减少电磁对人体的损害。



4  结束语


镁锂合金作为最轻的金属结构材料在结构减重等方面具有明显优势,在航空航天等领域越来越受到重视。通过对镁锂合金进行表面处理可有效提高其耐蚀性能,从而满足其使用要求。目前镁锂合金在航空航天、武器装备、3C等领域已经有了突破性的应用。随着近年来研究的深入和工艺、制造技术的进步,镁锂合金在航空航天等领域必将得到更加广泛的应用。


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本文作者2019-3-20 10:31
599104072
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