新型镁锂合金组织成分设计及防护体系研究
1西安航海技术研究所，中国 习安
2郑州青岩合金科技有限公司，河南郑州
在同等质量下，镁锂合金具有远超其他金属和塑料的比强度和比刚度，在结构轻量化方面具有竞争优势。此外，镁锂合金具有较大的阻尼，是铝合金的十倍以上，在吸收冲击能量、减震和降噪方面具有优异的性能。在材料领域，没有像镁锂合金这样的材料，其巨大的潜在应用前景与糟糕的实际应用形成了强烈的对比 [1-4]。一方面，镁锂合金相关的元素资源丰富，镁锂合金具有许多优点，这使得国防军工、航空航天和民用工业等各个领域对镁锂合金的需求呈现快速增长势头。然而，另一方面，仅占总量3%左右的镁被用作镁锂合金等变形产品，完全没有得到推广和应用[5-6]。造成这种情况的主要原因是构成镁锂合金材料的元素的电极电位低，化学性质活跃，即使在干燥的气氛中，也会形成松散多孔的氧化膜，很容易腐蚀。目前，由于镁锂合金基体的耐腐蚀性差，表面处理技术的可靠性低，以及工程应用中的综合保护技术缺乏成熟度，无法有效防止腐蚀的发生，已成为制约镁锂合金应用推广的最大瓶颈之一。
1. 新型镁锂合金的显微组织组成设计与性能测试
合金变形后，β-Li 嵌入 α-Mg 基体中，由于元素 Li 比元素 Mg 更活跃，镁锂合金的耐腐蚀性会随着 Li 含量的增加而逐渐降低[7]，经过多次实验和积累，确定合金中的 Li 含量为 8%， 不仅可以对 β-Li 的高塑性和协调变形起到很好的作用，而且可以使 α-Mg 作为骨架的微观组织牢固稳定。同时，新型镁锂合金选择铝和锌为主要元素，因为Al和Zn是镁锂合金固溶强化效果最显著的两种合金元素，可以形成相和相，具有一定的沉淀强化效果。当铝的添加量小于 3% 时，具有抑制 β-Li 相形成和促进 α-Mg 相形成的作用 [8]，因此铝的添加量控制在 3% 以内。锌可以提高镁合金的抗蠕变性，但含量在2.5%以上对其防腐性能有负面影响，原则上Zn含量控制在2%以下。
因此，本研究将新型镁锂合金的主要微观组织元素设计为Mg-8Li-3Al-2Zn，命名为合金，并在Mg-8Li-3Al-2Zn的基础上，通过向合金中添加总量不超过2%的RE、Ca和Sr元素进行微金属化，实现了新型镁锂合金的微观组织设计。
1.1 铸态微观组织和机械性能分析
图 1 显示了铸态和镁锂合金的金相结构。其中，α-Mg 相结构的比例显著增加且分布均匀。根据 image-Pro Plus 的统计，α-Mg 与培养基的比例为 46%，接近 1：1 与 β-Li 的比例。
图 1 是铸态金相组织的照片
as- 和 的图 1
图 2 显示了室温下铸态和合金的拉伸应力-应变曲线，表 1 显示了铸态和机械性能。由此可见，它的抗拉强度已经达到了以上。
1.2 变形结构和机械性能分析
这
镁锂合金经高温变形热处理轧制变形，得到板材金相组织，如图3所示。在热机械变形过程中，两相都剧烈变形，α-Mg 相在变形结构中完全充当硬颗粒相，起到阻碍晶粒滑动和位错积累的作用。
图 4 显示了合金高温变形热处理后室温下的拉伸应力-应变曲线，表 1 显示了合金高温变形热处理的机械性能。拉伸强度达到 300 MPa，屈服强度为 268.8 MPa，伸长率为 15.7%，具有良好的塑性。相比之下，伸长率提高到 19%，达到抗拉强度，屈服为 。
图 2 室温下铸态和合金的拉伸应力-应变曲线
图 2 - 房间内的铸模
图 3 是板的金相结构照片
图 3 铸态
图 4 与合金高温变形热处理后室温下的拉伸应力-应变曲线相同
图 4 房间 - 以及高温和加热后
此外，退火试验发现 和 的热稳定性也非常好，尤其是在 200°C+2h、150°C+10 h 和 100°C+24 h 退火后。
表 1 与高温变形热处理后合金的机械性能有关
表 1 高温后
1.3 变形合金的腐蚀性能分析
经过比较，伸长率数据明显优越，综合考虑后筛选出来。以新型镁锂合金的腐蚀性能为分析对象，与目前广泛使用的镁锂合金进行了对比试验。
图 5 显示了在 5% NaCl 溶液盐雾中去除腐蚀产物 24、48 和 96 小时后 （832） 和 （3#） 合金的表面形貌。可以看出，在 96 h 时，合金板已经大面积腐蚀，并有穿孔。但是，合金合金的腐蚀现象相对较轻，点蚀是主要现象，这表明新型镁锂合金的腐蚀性能远优于目前应用最广泛的镁锂合金。
图 5 （3#） 和 （832） 合金在 5% NaCl 溶液中盐雾腐蚀去除后的腐蚀产物
图 5 （3#） 和 （832） 在 5%NaCl 中浸入盐雾后，
经过高温变形热处理后，微合金化的机械性能和耐腐蚀性得到改善和提高，机械性能的改善尤为明显。
2. 新型复合表面处理技术研究
据文献记载，上述表面处理技术有成功应用的案例[9-13]，但一般盐雾试验的耐受时间短，难以满足工程应用的要求。基于此，选择应用效果好的化学氧化物层和微弧氧化物层进行复合，是新型镁锂合金复合表面处理技术研发的突破方向。
经过研究，化学氧化物层可以被分解并“生成”微弧氧化物层，反之亦然，因此在化学氧化物层上制备微弧氧化物层是制备新型复合层最可行的实现方案。要实现这一目标，首先必须解决微弧氧化的化学氧化层击穿不均匀的问题。原因是化学氧化层在微弧氧化液中会保持一定的稳定性，防止了在微弧氧化制备过程中电流将化学氧化物层直接击穿到镁锂合金衬底上，使得微弧氧化层不能在同一时间段内均匀形成。
经过对微弧氧化配方的多次调整，将葡萄糖酸钠或柠檬酸钠作为添加剂加入碱性微弧氧化液中，使微弧氧化液具有自燃性能，能快速均匀地去除工件表面的化学氧化层。在微弧氧化反应的早期阶段，该添加剂能迅速均匀地去除工件表面致密的化学氧化物层对微弧氧化产生的阻碍，使微弧氧化反应和化学氧化层的去除几乎同时进行。被助剂去除的化学氧化膜材料没有被中和，而是作为复合微弧氧化的组分参与反应，在化学氧化物层上形成新的均匀致密的化学氧化层+微弧氧化层复合涂层，从而避免了化学氧化层表面制备的微弧氧化层不电弧或烧蚀的现象。
经过反复实验，葡萄糖酸钠或柠檬酸钠添加剂的加入消除了化学氧化层在实现化学氧化+微弧氧化复合表面处理中的不利影响，性能稳定可靠。同时选用硅酸盐体系的电解液，实现化学氧化+微弧氧化的金属材料——镁锂合金的复合，经过工艺研究、成膜分析、性能试验、湿热和盐雾环境试验，将防腐导电复合层与单个微弧氧化层进行对比。薄膜本身具有较好的致密性，可以将单个化学氧化物层与导电部分的化学氧化物层+微弧氧化物层的结线无缝连接，使镁锂合金工件获得连续完整的保护涂层，保证了设备对电磁屏蔽性能和更强的耐腐蚀性的要求。
3. 综合防护体系研究
结构防护设计是综合防护技术的重要组成部分之一，通过合理的三维结构设计，实现将产品内部结构空间中的低电阻和导电部件等薄弱环节与外部环境的物理隔离，最大限度地发挥腐蚀系数， 防止或延缓周围环境与产品工作环境协同产生的物理、化学和电化学效应引起的产品金属和非金属的腐蚀和老化，保证产品结构的耐腐蚀性和可靠性，满足产品环境适应性的要求。
因此，本文根据模型产品的具体情况研究了镁锂合金的结构保护设计，并相应地优化了结构功能和密封设计。
3.1 功能分体式设计
这如图
6（a） 所示，在紧固螺钉和螺钉孔处集成了传统的紧固和电磁屏蔽功能，并进行了劈裂。电磁屏蔽功能是通过密封屏蔽槽和安装的导电密封条的设计来实现的，起紧固作用的螺钉和螺孔仅承担设备结构件的单一紧固功能，不再需要导通。它覆盖有一层可以完全绝缘的有机保护层，并与结构件的内部区域独立隔离，解决了紧固件易腐蚀的问题，如图 6（b） 所示。
图 6 功能拆分
图6
3.2 密封槽设计及新型密封圈的选择
针对镁锂合金零件的腐蚀情况，在保证设备给定的外观尺寸保持不变的前提下，增加设备的外壁结构尺寸，使箱体与盖板之间的接触部分尺寸加宽，以容纳加宽设计的密封槽和与之配套的新型共挤导电屏蔽密封条。
新型共挤导电屏蔽密封条的内部为弹性导电橡胶，可保证内箱体与设备盖板的接触部分进行导电，形成完整的法拉第笼，满足设备的电磁屏蔽要求。外部为弹性绝缘橡胶，经挤压变形后形成物理密封，与结构件表面电镀、涂层保护层一起形成连续的绝缘保护层，隔离外界环境的不利影响，为结构件内部提供更可靠的密封性能和耐环境性， 并且还阻止了由于原始单屏蔽条的导电而在此处形成的原电池腐蚀，如图 7 所示。
为解决设备外壁加厚导致结构内腔收缩，干扰印制板组装的问题，重新设计印制板的尺寸以匹配结构设计，通过减小尺寸提高印制板部件在印制板上的集成度，实现部件的功能设计。
图 7 密封选择
图 7 密封杆模型
4 实验验证
这
选用新型镁锂合金作为结构的原材料，样品表面处理采用化学氧化层+微弧氧化层复合涂层，采用工装保护下化学氧化层处理的导电件，微弧氧化区涂有聚氨酯搪瓷进行保护， 并在聚氨酯搪瓷完全固化后，移除工装，对产品预留的导电件和结构件内腔表面喷涂三防导电漆，最终完成物理样品电镀保护。物理样品经湿热+盐雾系列试验后，内外表面外观基本无变化，无腐蚀点
图 8 测试后的物理样本
图 8 测试后的部件
5 总结
（1）新型高强度耐腐蚀镁锂合金显微组织组成的设计与制备解决了镁锂合金强度低的问题，新型镁锂合金的抗拉强度为19%，伸长率为19%，满足作为结构材料的要求。
（2）对镁锂合金表面处理技术的研究，掌握了能为镁锂合金零件提供连续完整的复合保护膜的表面处理技术，使镁锂合金零件的整体保护能力得到了大大提高。
（3）综合防护技术研究可以提高对结构件内部空间的保护和有机涂层保护的有效性，消除镁锂合金材料及其表面处理留下的各种隐患和缺陷。经过工程应用验证，采用新型高强度耐腐蚀镁锂合金材料制备的产品结构件满足各种机械性能指标，在兼顾设备的电磁屏蔽要求的同时具有良好的环境适应性，可在复杂环境中可靠使用，达到实际工程应用状态。
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