镁锂合金的成分、微观结构及力学性能：最新研究进展与趋势综述

《Journal of Rare Earths》：Composition, microstructure and mechanical properties of Mg–Li alloys: A review of state‐of‐the‐art development and trend

镁锂合金作为最轻金属结构材料，在航空航天等领域有重要潜力。传统合金强度不足300MPa，近年通过多元合金化和热处理-塑性变形协同，开发了高强度合金，但仍存在延展性低的问题。研究重点包括合金元素调控显微组织（如稀土元素促进析出相和抑制软相）、多机制协同强化（细晶、析出、织构、位错强化），并展望新型合金元素和工艺优化方向。

　　

宁 超|刘 增谦|李 小强|朱 丹丹|乐 七七|刘 德学

中国兰州理工大学先进有色金属加工与回收国家重点实验室，兰州，730050

摘要

镁锂（Mg–Li）合金是最轻的金属结构材料，在航空航天、交通和电子应用领域具有显著的减重和能效提升潜力。然而，大多数传统镁锂合金的抗拉强度低于300 MPa。最近的进展扩展了合金成分设计，不再局限于铝（Al）、锌（Zn）和稀土（RE）等传统元素。通过热处理和塑性变形的协同作用，已经开发出几种高强度的镁锂合金。尽管如此，这些合金的延展性仍然较低，断裂应变通常小于15%，这体现了强度与延展性之间的持续权衡。同时，诸如自旋分解和β-Li向α-Mg相变等基本现象重新引起了科学界的关注。为了设计高性能的镁锂合金，明确化学成分、微观结构演变与机械性能之间的关系至关重要。因此，本综述重点讨论了镁锂合金的微观结构演变和机械性能，并系统分析了主要镁锂合金体系的关键进展。此外，还阐明了其他合金元素（包括Ca、Si、Sn、Ag、Mn和Ni）在调节沉淀行为和变形机制中的作用。本文还简要概述了镁锂合金研究的当前进展和未来方向。

引言

20世纪初，Masing首次观察到将锂（Li）加入镁（Mg）合金中会引发结构变化，改善其冷加工性能并降低各向异性。根据二元镁锂相图，镁锂合金的晶体结构取决于锂的含量[1]。当锂含量低于5.7 wt%时，合金保持六方密排（hcp）结构的α-Mg相；当锂含量超过10.3 wt%（对应Mg/Li质量比低于8.7）时，结构完全转变为体心立方（bcc）结构的β-Li相。在5.7 wt%–10.3 wt%的中间成分范围内，会形成由hcp和bcc相组成的双相（α+β）微观结构。单相α-Mg合金具有中等强度但延展性有限，而单相β-Li合金虽然强度较高，但延展性较差。双相α+β合金实现了最佳的强度-延展性平衡，其强度高于β相合金，延展性优于α相合金。除了机械性能外，锂的添加还显著降低了镁合金的密度，使镁锂合金成为迄今为止已知最轻的金属结构材料。因此，镁锂合金的应用范围已从早期的航空航天和军事领域扩展到轻量化电子外壳、汽车和生物医学部件以及无人机的结构部件等多个新兴领域[2]。

成分、微观结构和加工之间的协同作用从根本上决定了镁锂合金的性能。成分决定了初始微观结构和内在特性，同时也限制了后续的演变路径和性能极限。如前所述，二元镁锂合金的微观结构简单，缺乏强化沉淀物，导致其固有强度较低[3]。为了解决这一限制，广泛加入了铝（Al）和锌（Zn）等合金元素，因为它们在镁和锂基体中的溶解度较高[2]。铝和/或锌的加入可以通过固溶强化和沉淀强化来提高合金性能，但也会引入时效软化现象。相比之下，稀土（RE）元素的添加可以通过抑制软AlLi相的形成并促进稳定的金属间化合物（如Al_mRE_n、Mg_xRE_y、MgAlRE和MgZnRE）的形成来改变时效行为。然而，稀土元素相对较高的密度和成本部分抵消了其强化优势。近年来，通过添加钙（Ca）、硅（Si）、锡（Sn）、银（Ag）、锰（Mn）和镍（Ni）等其他合金元素，镁锂合金的成分设计空间得到了逐步扩展[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，仅通过合金化实现的强化效果仍然有限，铸造态镁锂合金的抗拉强度很少超过300 MPa。为了进一步提高机械性能，塑性变形和/或热处理是不可或缺的。塑性变形可以优化晶粒取向分布，增加位错密度，破碎次级相，并将晶粒细化到亚微米甚至纳米级别[12]。固溶处理、退火和淬火等热处理在调节次级相的成分、尺寸、数量密度和空间分布方面起着关键作用[13]。实际上，这些工艺通常协同应用，通过同时激活多种强化机制（包括晶粒细化、沉淀强化、织构强化和位错强化），使镁锂合金获得更优异的综合性机械性能。

近年来，通过优化合金成分、热处理和塑性变形工艺，开发出了许多高性能的镁锂合金。为了全面评估当前的研究现状，使用Web of Science数据库进行了系统文献检索，关键词包括“Mg–Li alloy”、“magnesium lithium alloy”和“mechanical properties”。排除了2020年之前发表的研究、缺乏实验验证的基于模拟的研究以及抗拉数据或极限抗拉强度（UTS）低于300 MPa的报告。根据这些标准，表1总结了过去五年内报道的高强度镁锂合金。可以识别出几个显著趋势：（i）大多数高强度镁锂合金含有5 wt%–8 wt%的锂，并加入了四种或更多合金元素，表明当前研究主要针对双相镁锂体系，并朝着多元素设计策略发展；（ii）加工方法已从传统的固溶处理（SS）、均质化（H）、挤压（E）和轧制（R）扩展到旋转锻造（RS）、水淬（WQ）和多步热处理-变形耦合等先进技术；（iii）尽管在提高抗拉强度方面取得了显著进展，但进一步改善延展性仍是实现平衡机械性能的关键挑战。

尽管取得了这些进展，但由于锂的成本较高、微观结构的热稳定性较差以及铸造难度较大，镁锂合金在商业应用和研究活动方面仍明显落后于传统镁合金[32]、[33]、[34]、[35]。因此，系统了解其当前的研究状况和性能调控机制对于未来发展至关重要。为此，本综述结合了文献计量分析，阐明了研究趋势，并全面总结了镁锂合金的最新进展。为了清晰起见，镁锂合金被分为两类：不含稀土（non-RE）和含稀土（RE）的系统，后者进一步细分为二元镁锂、三元镁锂-铝（Mg–Li–Al）和镁锂-锌（Mg–Li–Zn）合金。以成分为核心框架，本综述总结了合金元素、热处理和塑性变形对微观结构演变和机械性能的影响，并强调了每个体系中的关键发现。此外，还系统讨论了其他合金元素（如Ca、Si、Sn、Ag、Mn和Ni）的强化作用。值得注意的是，稀土元素包括镧系元素以及Sc和Y；其中，Y在镁锂合金中的使用频率最高，其次是Er和Gd，而Sc、Sm、Ce和La则较少被报道。因此，本综述未采用按具体稀土元素进行进一步分类。

镁锂研究概述

2025年3月14日，在Web of Science（WoS）核心数据库中使用了“Mg–Li alloy”和“Magnesium Lithium alloy”作为关键词进行了文献检索，共检索到2228篇论文（如图1中的白色条形所示）。经过手动筛选标题和摘要后，确定了1467篇与镁锂合金直接相关的论文（如图1中的深色条形所示）。这些结果表明，镁锂合金在该领域持续受到研究关注

二元镁锂-铝（Mg–Li–Al）合金

在二元镁锂合金中，锂的添加主要引发三个关键效应：密度降低、相变和塑性增强。由于锂的固有密度极低（约为0.535 g/cm³），随着锂含量的增加，镁锂合金的整体密度显著降低。从结构上看，当锂含量增加时，合金从单相hcp结构的α-Mg相转变为包含hcp和bcc晶格的双相α+β结构

添加稀土元素的二元镁锂合金

稀土（RE）元素（包括Y、Gd、Ce、Sc、La和Er）常被加入镁锂合金中以提高机械性能[98]、[99]、[100]、[101]、[102]、[103]、[104]、[105]。稀土元素的添加促进了高熔点镁-稀土金属间化合物的沉淀，从而提高了强度和热稳定性[100]、[103]。在α相镁锂-稀土合金中，稀土元素的添加还会减弱基体织构，从而提高变形能力[106]。例如，挤压处理的Mg–3Li–

钙（Ca）元素

钙（密度：1.53 g/cm³）可以提高镁锂合金的抗氧化性，并具有良好的生物相容性，使其成为生物医学应用中的有前景的合金元素[164]、[165]、[166]。在镁锂-钙（Mg–Li–Ca）三元体系中，通常会形成Mg₂Ca和CaLi₂等金属间化合物[99]、[165]。在Mg–xLi–1Ca合金中，随着锂含量的增加，Mg₂Ca的体积分数也会增加[167]。钙的加入可以细化双相微观结构并促进

总结与展望

控制晶粒尺寸以及沉淀物的类型、大小、分布和体积分数是开发高强度镁锂合金的核心，也是未来研究的关键焦点。目前，主要基于铝（Al）、锌（Zn）和稀土元素（RE）的合金体系已经在一定程度上得到建立（见表4和表5）。然而，所使用的稀土元素种类仍然有限，其他稀土元素的合金行为和强化机制也尚未完全阐明

利益冲突声明

所有作者均无潜在的利益冲突。

作者贡献声明

宁 超：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑。刘 增谦：撰写、审稿与编辑。李 小强：指导。朱 丹丹：数据分析。乐 七七：指导。刘 德学：指导、资金获取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。