世界上最轻的合金——镁锂合金的发展历程

世界上最轻的合金——镁锂合金的发展历程

航天飞行器为了飞的更远就要携带更多的燃料,但是质量增加了会大大增加燃料的消耗。据核算,火箭质量减轻1kg就会节约22000美元。为了减轻航天器的质量,科学家千方百计研发新型材料,就这样镁锂超轻合金应运而生。

世界上最轻的合金——镁锂合金的发展历程

镁锂合金堪称超轻合金,在所有金属结构材料中其比强度和比刚度是最高的。镁的原子序数为12,密度为1.738g/cm³,锂的原子序数为3,其密度为0.534 g/cm³。由金属镁和金属锂为主要元素而制得的镁锂合金密度一般为1.35~1.65 g/cm³,它比一般的镁合金轻1/4~1/3,比铝合金轻1/3~1/2.同时镁锂合金具有很高的比强度、比刚度和优良的抗震性能及抗高能粒子穿透能力,是航空、航天、兵器工业、核工业、汽车、医疗器械等领域最理想并有着巨大发展潜力的结构材料之一。

1910年德国学者Masing在研究锂、钠与镁相互作用时,意外发现了镁和锂之间可以发生有趣的结构转变,并认为该结构是超结构。这项工作为镁锂合金的研究提供了可靠的依据。

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镁锂二元合金相图

20世纪30年代有许多研究者对镁锂合金二相平衡相图进行了测定。到1954年,由Freeth和Raynor提出完整精确的镁锂平衡相图,这为人们研究镁锂合金提供了极大的方便。

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M113型装甲运兵车

1942年,美国冶金学家Loonam提出向镁合金中添加元素锂的设想,以期在改善镁合金加工性能的同时,进一步降低镁合金的密度。由于军事上的迫切需求,美国广泛开展了镁锂合金的研究,其中主要代表是美国Battelle研究所在这一年开始大规模研制镁锂合金,试验熔铸批次达1700次。研究目标是开发密度低、比强度高、比刚度高、成形性良好、各向同性的超轻合金。后来美国宇航局、海军部注意到Battelle研究所的工作,开始与其合作共同开发,此合作一直持续到1957年。随后美国军用坦克指挥部与陶氏化学公司合作开发M113型装甲运兵车车体用镁锂合金,陆军弹道导弹部门与Battelle研究所合作,研制出含有14%金属锂的LA141合金,并将其纳入航空材料标准AMS4386。

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1960年~1967年,洛克希德导弹与航空公司和IBM公司充分利用了NASA报告中的LA141的信息,开发了航天飞机SaturnV用的镁锂合金部件。

20世纪70年代以后,人们将目光集中在镁锂功能方面进行研究。

20世纪中期,镁锂合金研制成功,并投入工业化生产,其制造加工过程中采用的快速凝固方法为镁锂合金的研究提供了一条新的工艺路线,1984年美国麦道公司尝试在Mg-9Li-X合金铸造加工过程中采用快速凝固新工艺,使镁锂合金的性能有所提高。

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苏联сатурн-V火箭的计算设备外壳采用镁锂合金

20世纪60年代中期至80年代末,苏联科学院开始研究镁锂合金,相继开发出了MA21、MA18等合金,并制出了强度与延展性优良,组织稳定的镁锂合金零件,成功的应用于航天飞机和宇宙飞船上,镁锂合金的应用使航天飞行器的重量减轻效果非常明显。1983年苏联学者首先发现了MA21合金的超塑性。

我国的镁锂合金研究开始于20世纪80年代前后,相对于西方国家起步较晚,近年来相关研究部门在低温电解制备镁锂合金方面取得了一定进展。

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镁锂合金在航空航天及军事领域应用广泛,如洛克希德导弹与航空公司1962年开始将镁锂合金应用在阿金纳助推器及其所发射的多个卫星部件上。IBM将镁锂合金应用在SaturnV运载火箭的计算机室上。波音公司将镁锂合金用于制造绕月运行的轨道卫星及月球上移动的太阳能装置。

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近年来科学家尝试将镁锂合金应用于民用领域,如德国试制成功了镁锂合金的心血管植入件;日本用镁锂合金制作扩音器和眼镜;英国将LA141合金投入商业化生产用于制作板材和带材等民用产品。

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