輕金屬概念：
鋁、鎂、鈦等金屬的密度小，分別為2.7g/cm3、1.7g/cm3、和4.5g/cm3、，因此，這幾種金屬通常被稱為輕金屬，其相應的鋁合金、鎂合金、鈦合金則稱為輕合金[1,2]。鋁合金具有比重小、導熱性好、易於成形、價格低廉等優點，已廣泛套用於航空航天、交通運輸、輕工建材等部門，是輕合金中套用最廣、用量最多的合金[3~5]。鎂合金具有比重小，比強度、比剛度高，阻尼性、切削加工性、導熱性好，電磁禁止能力強，尺寸穩定，資源豐富，易回收，無污染等優點，因此，在汽車工業、通信電子工業和航空航天工業等領域正得到日益廣泛的套用，近年來全世界鎂合金產量的年增長率高達20%，顯示出了極為廣泛的套用前景[1,15]。鈦合金比重小、耐蝕性好、耐熱性高、比剛度和比強度高，是航天航空、石油化工、生物醫學等領域的理想材料；同時，鈦的無磁性、鈦鈮合金的超導性、鈦鐵合金的儲氫能力等特性，使得鈦合金在尖端科學和高技術方面發揮著重要作用[1,32]。
本文簡要綜述目前國內外在輕合金方面的研究開發、套用現狀及最新進展，分析了我國在輕合金材料發展及其套用方面存在的問題，提出了今後一段時間我國在輕合金材料研究、開發與套用方面的對策。
鋁合金的發展：
鋁合金是一種較年輕的金屬材料，在20世紀初才開始工業套用。第二次世界大戰期間，鋁材主要用於製造軍用飛機。戰後，由於軍事工業對鋁材的需求量驟減，鋁工業界便著手開發民用鋁合金，使其套用範圍由航空工業擴展到建築業、容器包裝業、交通運輸業、電力和電子工業、機械製造業和石油化工等國民經濟各部門，套用到人們的日常生活當中。現在，鋁材的用量之多，範圍之廣，僅次於鋼鐵，成為第二大金屬材料。鋁材套用的迅速發展是世界鋁工業界不斷開發新的鋁合金材料的結果[3~5]。表1列出了鋁合金的特性及主要套用領域[2]。 鋁合金的發展可追溯到1906年時效強化現象在柏林被Alfred Wilm偶然發現，硬鋁Duralumin、隨之研製成功並用於飛機結構件上[7]。在此基礎上隨後開發出的Al-Cu-Mg系合金，如2014和2024，其抗拉強度為350~480MPa'，至今仍在使用。第二次世界大戰期間，由於軍用航空材料的需要，抗拉強度超過500MP'的Al-Zn_Mg_Cu.合金髮展起來，其中最著名的合金是7075[6]。第二次世界大戰後，－系列新合金（尤其是7000系），如7050、7010、7475和7055等研製成功。這些鋁合金的研製，在不斷提高強度的同時，更加注重改善其抗應力腐蝕性能和斷裂韌性，以提高構件的工作可靠性[1]。目前，高強、高韌是鋁合金髮展的主要方向。
鋁合金的新進展：
Al-Cu-Mg合金系（2000）：為提高2024的斷裂韌性，通過控制合金中的Fe、Si雜質量並調整溶質元素的量，美國研製出了2124、2048和2524等合金[1,10]。其中新合金2524已廣泛用於B777機身，在強度相當的條件下，其斷裂韌性和抗疲勞能力明顯優於2024[7]。
2000系合金的高溫蠕變強度很高，典型合金有2618和2219。其中2219合金是一種焊接性、耐熱性、韌性都很好的合金，主要用作航空油箱材料。進一步降低2219合金中的Fe、Si雜質量，提高Cu含量使之超過固溶極限以上，開發了韌性更高的2419、2021及2004合金，而且2004合金超塑性能良好[10]。 研究發現，微量Ag(~0.1at.%)可促進所有含Mg鋁合金的時效強化。由此開發出的典型合金有Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag和Al-6.3Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.2Zr。與其他2000系合金相比，前者具有優良的蠕變性能；後者既具有較高的室溫強度，又提高了高溫和蠕變性能[1]。最近，法國也發明了一種高蠕變強度的含Ag鋁合金（芙國專利No.5738735）[12]。
對於7000系合金，長期困擾的問題是7079-T6和7075-T6等合金抗應力腐蝕開裂性差，為此開發了T73熱處理工藝。T73熱處理對防止應力腐蝕很有效，但與T6處理相比，材料強度降低了15%[1]。 因此，很多研究都圍繞著如何既獲得T6的強度又具有T73的抗應力腐蝕性能。通過調整成分和工藝，出現了7049、7050、7150和7033等合金；添加Zr代替Cr，開發了7010和7012合金；在T73之前對合金進行熱變形；採用T77處理工藝的合金，如7055-T7751，用於B-777客機以承受壓縮載荷為主的上機翼翼面，使其重量減少了635kg[1,6,10]；英國開發、1999年6月在美國註冊的7034合金，則具有優秀的損傷容限[13]。
Al-Li合金系：鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強度和高比剛度的鋁合金，在航空航天領域顯示出了廣闊的套用前景。例如，美國1998年用2195鋁鋰合金代替2219合金，製造奮進號太空梭的液氫液氧外推進劑貯箱，減輕重量約3500kg，獲得巨大效益[6~8]。
按時間順序和性能特點可將鋁錘合金劃分為三代。第一代以1957年美國Alcoa公司研究成功的2020合金為代表，但其塑韌性水乎太低。第二代為20世紀70~80年代發展起來的鋁鋰合金，其中具有代表性的合金有.蘇聯的1420，美國的2090，英國的8090和8091，法國的2091等，這些合金具有密度低、彈性模量高等優點，都已獲得了一定的套用，其中1420是目前最為成熟的鋁鋰合金[8,11]。進入20世紀90年代以後，人們針對第二代鋁鋰合金本身存在的各向異性、不可焊、塑韌性及強度水平較低等問題，開發出了一些具有特殊優勢的第三代新型鋁鋰合金。如高強可焊的1460和Weldalite系列合金，低各向異性的AF/C489和AF/C458台金，高韌的2097和2197合金，高抗疲勞裂紋的C-155合金，及經特殊真空的XT系列合金，超輕的8024Al-Li_zr合金（1999年註冊）等[10,13]。其中對高強可焊合金和低各向異性合金的研究最多，是第三代鋁鋰合金的發展方向。表2為第三代主要鋁鋰合金的典型性能[8,13]。
開發能夠替代部分變形鋁合金的高強韌鑄造鋁合金可以縮短製造周期，降低成本。國外最著名的高強韌鑄造鋁合金有法國的A-U5GT，美國的201.0，這些合金都具有很好的力學性能。我國的ZL205A，抗拉強度為510MPa，延伸率可達13%。最近；北京航空材料研究院研製出一種與ZL205A成分相近、韌性特別好的鑄造鋁合金，其延伸率達19%～23%，衝擊韌性為ak181~304kJ/m2[9]。
近年來，鑄造鋁基複合材料發展較為迅速，例如，鑄造Al-Si基SiC顆粒增強複合材料，提高了合金的性能，尤其是剛性和耐磨性，並已套用到航空、航天、汽車等領域。此外，一些新型的具有特種功能的鑄造鋁合金材料也處於研究套用階段。
在快速凝固/粉末冶金（RS/PM）鋁合金方面，國內外已出現了幾種典型的合金，如高強耐蝕的Al-Zn_Mg_Cu（7090、7091和X7093）系鋁合金，耐熱的Al-Fe（8009、X8019和LG5）、Al-Cr.和Al-Ti系鋁合金，低密度高模量的Al-Li-Cu-Mg-Zr鋁合金，高矽耐磨鋁合金等[3]。
近幾年來，噴射沉積鋁合金工藝受到英國、法國、瑞士和日本等國家的高度重已用於生產2000系、7000系、AL-Li系、AL-Si系等合金，碳化矽顆粒增強鋁合金複合材料[3]。
其他近年來發展成功或正在研製的具有發展前景的新型鋁合金及技術.
鎂合金的發展:
鎂合金是實際套用中最輕的金屬結構材料，但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發展還很不充分，鎂合金的套用也還很有限。目前，鎂合金的產量只有鋁合金的1%。鎂合金作為結構套用的最大用途是鑄件，其中90%以上是壓鑄件[14]。
限制鎂合金廣泛套用的主要問題是：由於鎂元素極為活潑，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，因此，鎂合金的生產難度很大；鎂合金的生產技術還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術有待進一步發展；鎂合金的耐蝕性較差；現有工業鎂合金的高溫強度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫（150～350℃）場合的套用；鎂合金的常溫力學性能，特別是強度和塑韌性有待進一步提高；鎂合金的合金系列相對很少，變形鎂合金的研究開發嚴重滯後，不能適應不同套用場合的要求[14~19]。 鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。鎂合金按合金組元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系（Az）、Mg-Al -Mn系（AM）和Mg-Al-Si-Mn系（As）、Mg-Al-RE系（AE）、Mg-Zn-Zr n（ZK）、Mg-Zn-RE系（zE）等合金。常用鑄造鎂合金的牌號及性能見表4[2,14]。表5為常見變形鎂合金的化學成分及基本特性[2,20]。
我國具有豐富的鎂資源，原鎂產能、產量和出口均居世界首位。在鎂和鎂合金的研究和套用領域，我國與歐美等已開發國家之間的差距還相當大'一方面，我國的原鎂質量差，鎂合金錠的質量也不盡如人意，出口缺乏競爭力，作為結構材料套用的鎂在國內的消耗量又很少，只能作為初級原料低價出口，屬典型的資源出口型工業，目前，國內的鎂冶金企業大都處於虧損或面臨倒閉；另一方面，我國對鎂合金的研究和套用更顯薄弱。因此，如何利用我國的鎂資源優勢，將鎂的資源優勢轉變為技術、經濟優勢，促進國民經濟發展、增強我國鎂衍業的國際競爭力，是擺在我們面前的迫切任務[24]。
鎂合金的新進展:
耐熱鎂合金:耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛套用的主要原因之一，當溫度升高時，它的強度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關鍵零件（如發動機零件）材料在汽車等工業中得到更廣泛的套用。
己開發的耐熱鎂合金中所採用的合金元素主要有稀土元素（RE）和矽（Si）。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和we54具有與鋁合金相當的高溫強度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛套用的一大阻礙[18]。
Mg-Al-Si（AS）系合金是德國大眾汽車公司開發的壓鑄鎂合金。175℃時，AS41合金的蠕變強度明顯高於AZ91和AM60合金。但是，AS系鎂合金由於在凝固過程中會形成粗大的漢字狀Mg2Si相，損害了鑄造性能和機械性能。研究發現，微量Ca的添加能夠改善漢字狀Mg2si相的形態，細化Mg2si顆粒，握高AS系列鎂合金的組織和性能[18]。
從20世紀80年代以來，國外致力於利用C·來提高鎂合金的高溫抗拉強度和蠕變性能。最近美國開發的ZAC8506（Mg-8Zn-5Al-0.6Ca），以及加拿大研究的Mg-5Al-0.8Ca等鎂合金，其抗拉強度和蠕變性能都較好。
2001年，日本東北大學井上明久等採用快速凝固法製成的具有100~200nm晶粒尺寸的高強鎂合金Mg-2at% Y-1at% Zn，其強度為超級鋁合金的3倍，還具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性。
鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個方面來解決：①嚴格限制鎂合金中的Fe、Cu、Ni等雜質元素的含量。例如，高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼還好得多。②對鎂合金進行表面處理。根據不同的耐蝕性要求，可選擇化學表面處理、陽極氧化處理、有機物塗覆、電鍍、化學鍍、熱噴塗等方法處理。例如，經化學鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不鏽鋼[2]。
阻燃鎂合金:鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發生劇烈的氧化燃烷。實踐證明，熔劑保護法和SF6、SO2、CO2、Ar等氣體保護法是行之有效的阻燃方法，但它們在套用中會產生嚴重的環境污染，並使得合金性能降低，設備投資增大。
純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由於添加大量鈣會嚴重惡化鎂合金的機械性能，使這一方法無法套用於生產實踐。鉸可以阻止鎂合金進一步氧化，但是鉸含量過高時，會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。
最近，上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心通過同時加人幾種元素，開發了一種阻燃性能和力學性能均良好的轎車用阻燃鎂合金，成功地進行了轎車變速箱殼蓋的工業試驗，並生產出了手機殼體、MP3殼體等電子產品外殼[15]。
現有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加人Ca、Zr可顯著細化晶粒，提高其抗拉強度和屈服強度[1]；加人Ag和Th能夠提高Mg-RE-Zr合金的力學性能，如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機、飛彈的優質鑄件；通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠（ECAE）等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細，從而獲得高強度、高塑性甚至超塑性[16,19]。
變形鎂合金:雖然目前鑄造鎂合金產品用量大於變形鎂合金，但經變形的鎂合金材料可獲得更高的強度，更好的延展性及更多樣化的力學性能，可以滿足不同場合結構件的使用要求。因此，開發變形合金，是其未來更長遠的發展趨勢[20]。
新型變形鎂合金及其成型工藝的開發，已受到國內外材料工作者的高度重視。美國成功研製了各種系列的變形鎂合金產品，如通過擠壓+熱處理後的ZK60高強變形鎂合金，其強度及斷裂韌性可相當於時效狀態的al7075或Al7475合金，而採用快速凝固（RS）+粉末冶金（PM）+熱擠壓工藝開發的Mg-Al-Zn系EA55RS變形鎂合金，成為迄今報導的性能最佳的鎂合金，其性能不但大大超過常規鎂合金，比強度甚至超過7075鋁合金，且具有超塑性（300℃，436%），腐蝕速率與2024-T6鋁合金相當，還可同時加人SICP等增強相，成為先進鎂合金材料的典範。日本1999年開發出超高強度的IM Mg-Y系變形鎂合金材料，以及可以冷壓加工的鎂合金板材。英國開發出Mg-Al-B擠壓鎂合金，用於magnox核反應堆燃料罐。以色列最近也研製出用於航天飛行器上的兼具優良力學性能和耐蝕性能的變形鎂合金，法國和俄羅斯開發了魚雷動力源變形鎂合金陽極薄板材料。
鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法[21,22]，當前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是套用最廣的鎂合金成形方法。近年來發展起來的鎂合金壓鑄新技術有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤，後者也己開始用於生產汽車上的鎂合金零件。
鎂合金半固態觸變鑄造（Thixo-Molding）成形新技術，近年來受到美國、日本和加拿大等國家的重視。與傳統的壓鑄相比，觸變鑄造法無需熔煉、澆注及氣體保護，生產過程更加清潔、安全和節能。目前已研製出鎂合金半固態觸變鑄造用壓鑄機，到1998年底，全世界已有超過100台機器投人運行，約有40種標準鎂合金半固態產品用於汽車、電子和其他消費品。但相對來說，半固態鑄造鎂合金材料的選擇性小，目前套用的只有AZ91D合金，需要進一步發展適用於半固態鑄造的鎂合金系。
其他正在發展的鎂合金鑄造成形新技術有鎂合金消失模鑄造、擠壓鑄造－低壓鑄造結合法、擠壓鑄造-流變鑄造結合法和真空傾轉法差壓鑄造等。
