來源：自然雜志，2023年 第45卷 第2期

作者：譚軍，王芳磊，蔣斌，潘復生

摘要：鎂合金密度僅為鋁合金的2/3，鋼鐵的1/4，因此鎂合金零部件的大規(guī)模應用有助于輕量化和節(jié)能減排。在碳達峰、碳中和背景下，鎂材料的發(fā)展應用潛力巨大。文章分析了國內外鎂合金的產業(yè)現狀及其加工技術，重點綜述了鎂合金作為結構材料在汽車、軌道交通、自行車、3C(計算機、通信和消費電子產品)、航空航天、國防工業(yè)等領域的發(fā)展與應用情況，梳理了目前鎂產業(yè)存在的主要問題，最后對鎂合金結構材料的未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：鎂合金;鎂基復合材料;結構材料;汽車;3C;

  資源和能源短缺是制約全球經濟發(fā)展的重要問題。目前，許多金屬礦產資源已經枯竭，如鐵、鋁、鋰等。金屬鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，在地球地殼中的含量位列第七位，在常用金屬中排名第四。如圖1所示，金屬鎂行業(yè) 產業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)主要是自然界中含鎂原料的 生產及提純;中游環(huán)節(jié)是將原鎂進行加工處理以待實際應用，例如鎂合金、冶金添加原料(鋁合金、稀土合金、煉鋼脫硫、金屬冶煉還原劑等)、鎂肥、鎂砂等;下游主要為應用環(huán)節(jié)，以鎂合金為例，主要應用領域有汽車、3C(computer,communication and consumer electronics)行業(yè)、航 空航天、軍工、醫(yī)療器械等。

  我國具有豐富的鎂礦資源，占世界鎂礦資源 的70%以上，其中目前已探明的可開采白云石鎂礦超過200億t，菱鎂礦超過30億t，鹽湖氯化鎂儲量40億t，可以開采千年以上。此外，海水中也含有豐富的鎂資源。對鎂資源的開發(fā)與利用是實現可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑[6-7]。我國鎂及鎂 合金的產量已連續(xù)10多年位居世界第一(圖2)，其中2021年中國的原鎂供應量占世界總供應量近 90%。國內已形成以南京云海、陜西榆林和山西 運城等為代表的原鎂產業(yè)集群，以及以重慶博奧鎂鋁、山西聞喜銀光鎂業(yè)集團、浙江萬豐、上海鎂鎂、嘉瑞集團、天津東義、北京廣靈等為代表的鎂合金深加工產業(yè)集群。

  鎂自身也具備許多優(yōu)良的性能，室溫下純鎂的密度僅為1.74 g/cm3，具有高比強度、高比 模量、高阻尼、電磁屏蔽以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能和易回收等優(yōu)點，在汽車、軌道交通、 3C電子、航空航天、國防等領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”[6,8-11]。黨的二十大報告強調，我國需要積極穩(wěn)妥推進碳達峰、碳中和，加快推動產業(yè)結構、能源結構、交通運輸結構等調整優(yōu)化。在碳達峰、碳中和背景下，鎂材料的發(fā)展應用潛力巨大。

  圖1 金屬鎂行業(yè)產業(yè)鏈

  圖2 全球和中國原鎂產量：(a)1998年至今全球和中國的原鎂供應量;(b)2021年主要國家供應量占比圖

  作為結構材料在汽車行業(yè)使用是鎂合金的 主要消費方向，同時，隨著3C行業(yè)的迅速發(fā) 展，用戶對輕薄兼具良好散熱性、阻尼減振和電磁屏蔽等性能的追求讓鎂合金在3C行業(yè)的需求 迅速增長。

  本文將側重于鎂合金在結構材料方向的應用進展，對鎂合金在汽車、3C、航空航天等領 域的應用進行簡要介紹，同時梳理了目前鎂產業(yè)存在的主要問題及未來發(fā)展方向。

  1 國內外鎂合金的產業(yè)現狀

  1.1 我國高度重視鎂合金結構材料的研發(fā)和應用

  自2000年起，我國政府、科技界和企業(yè)界開始高度重視鎂產業(yè)發(fā)展，2011年以師昌緒為代表的五位院士發(fā)表了《加速我國金屬鎂工業(yè)發(fā)展的建議》[12]。國家科技部、工信部、發(fā)改委等在鎂合金應用開發(fā)及產業(yè)化方面進行了總體戰(zhàn)略部署，初步建立了從鎂合金技術研發(fā)到產業(yè)化的技術研發(fā)體系，掌握了一批前沿核心技術和產業(yè)化關鍵技術，在全國建成了一批產業(yè)化示范基地。全國很多省市，特別是中西部地區(qū)，積極爭取國家支持，以占領金屬鎂工業(yè)高地，并形成新的經濟增長點及支柱產業(yè)。2003年以來，我國一直是世界上最大的原鎂生產國與出口國。大力推進鎂合金工業(yè)化應用，不僅是結構材料輕量化、保護環(huán)境的重要舉措，也是充分利用我國豐富的資源、緩解對鐵鋁礦資源進口依賴的重要舉措，特別是在復雜多變的國際形勢下具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

  我國政府高度重視鎂及鎂合金的研發(fā)與應用，極大地推動了世界鎂合金材料及其應用的發(fā)展。自2000年起，國家科技部、發(fā)改委、工信部等部門分別啟動了“交通工具用鎂合金零部件生產及應用共性關鍵技術研究開發(fā)及產業(yè)化”“高性能鎂合金的研制和應用”等一批國家級科技項目和國際合作項目，在新型高強度鎂合金材料、鎂合金壓鑄技術、鎂合金軋制和擠壓加工技術、鎂合金連接技術等方面取得了重要進展，為鎂合金材料在汽車上的進一步應用打下了堅實的基礎。一些非結構和非耐熱的殼體類零部件，如方向盤骨架、電器支架、后窗框、門內框、輔助轉動支架等，已開始使用壓鑄類鎂合金，并取得了較好的經濟效益和社會效益。

  “十三五”期間，國家科技部在重點研發(fā)計劃中啟動了“輕質高強鎂合金集成計算與制 備”“大規(guī)格高性能鎂合金變形加工材制造關鍵技術”“高性能鎂/鋁合金高品質鑄件制備技術”等項目，重點關注鎂合金高通量計算-高通量實驗-組織性能預測-工業(yè)應用的全鏈條材料研發(fā)新模式、大規(guī)格變形鎂合金、大型鎂合金壓鑄構件等。

  “十四五”期間，國家科技部在重點研發(fā)計劃中啟動了“新型結構功能一體化鎂合金變形加工材制造關鍵技術”“高性能鎂合金大型鑄/鍛成形與應用關鍵技術”“青海鹽湖新型鎂基材料及前端制造技術”“高強輕質金屬結構材料精密注射成形技術”“超高剛度鎂基復合材料的集成計算設計與制備”“高性能金屬增強鎂基復合材料及制備加工技術”等攻關項目，重點關注結構功能一體化變形鎂合金、大型鑄/鍛成形鎂合金、輕合金精密注射成形、青海鹽湖新型鎂基材料、鎂基復合材料等。

  1.2 國外非常重視鎂合金及應用研發(fā)

  美國鎂產業(yè)的發(fā)展起源于20世紀80年代的汽車工業(yè)。福特、通用和克萊斯勒等著名汽車公司多年來一直致力于新型鎂合金汽車零部件的研發(fā)和應用。隨著鎂合金應用中巨大優(yōu)勢的顯現，美國政府開始對此高度關注和重視。1996年，美國能源部與三大汽車集團簽署了名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計劃，該計劃旨在大力促進鎂合金的研發(fā)和應用。同時，鎂合金在汽車行業(yè)的帶動下，應用范圍不斷擴大，也逐漸應用于通信、計算機等領域。2004年，美國和加拿大的機構和公司共同設立了汽車用鎂合金中長期研究計劃。2006年，中國、美國和加拿大聯合啟動了汽車前端輕量化鎂合金聯合研發(fā)項目，三國共有20多家大學、研究機構和汽車公司參與。同年，北美汽車研究聯盟(USCAR)發(fā)布了《2020年北美汽車用鎂合金及輕量化戰(zhàn)略展望》研究報告，該計劃由美國能源部支持。USCAR的61個成員單位包括克萊斯勒、福特、通用等汽車公司，以及加拿大資源部、北美材料和零部件供應商、大學和研究機構。

  加拿大的鎂資源豐富，鎂產業(yè)發(fā)展較為成熟。早在1941年，哈雷鎂廠(現名蒂明科公司)就已建成，是世界上歷史最長、規(guī)模最大的皮江法鎂廠之一。加拿大擁有技術世界領先的貝坎庫爾鎂廠，以及鎂生產與加工領域最大的瑪瑞丁公司，其產品應用到許多發(fā)達國家的汽車制造中。政府還成立了鎂研究中心，致力于優(yōu)化設計、工藝和材質，開發(fā)具有優(yōu)良性能的鎂合金汽車零部件。加拿大的鎂合金開發(fā)應用得到了突飛猛進的發(fā)展，如2012年，Magna公司率先采用薄板熱成型技術開發(fā)出了汽車車門內板。2020年，加拿大聯合鎂業(yè)公司開始建設高附加值的鎂錠生產廠。2023年，聯合鎂業(yè)和Triple M金屬公司宣布建立戰(zhàn)略伙伴關系，支持聯合鎂業(yè)的金屬鎂回收，同時也擴大Triple M金屬公司對客戶的產品供應和服務。

  德國汽車產業(yè)也非常重視鎂合金的開發(fā)與應用。寶馬、奧迪、沃爾沃等汽車巨頭正著手解決鋼-鎂合金混合車身結構的設計問題，同時發(fā)展了等溫精密成形、等溫擠-鍛復合成形等鎂合金零部件成形新技術，并將數值模擬仿真技術和 數控技術等先進手段用于成形工藝和模具加工，以確保零部件成形尺寸精度和產品合格率。

  日本在20世紀80年代末開發(fā)出先進的鎂合金低壓金屬型鑄造裝置，為鎂合金的開發(fā)應用提供了保證，并由此開發(fā)了一系列的鎂合金產品。隨后日本還開發(fā)出多種噸位的壓鑄機，為大型鎂合金零部件提供了生產手段。由教育、科學、運

動和文化廳聯合資助日本國內知名高校組織了9個鎂合金研究組，瞄準汽車和軌道交通等應用領域，并由熊本大學牽頭組織了日本最大的高性能阻燃鎂合金基礎研究項目。結合耐燃鎂合金、加工與連接技術、防腐技術以及大型結構制造技術，日本完成了全鎂車身模型設計與制作。

  韓國浦項制鐵開發(fā)了鎂冶煉技術，并建成大規(guī)模的生產工廠。然而，內部和外部因素導致浦項制鐵鎂錠停產，目前鎂錠主要從中國進口。1998年鎂部件開始應用于三星筆記本電腦外殼、MP3和CD/DVD播放機。自2000年以來，韓國汽車工業(yè)大大增加了鎂部件的應用。2002年韓國成功開發(fā)鎂薄板材料，并于2007年建成一座3000t產能的鎂板廠，開始商業(yè)化生產。韓國還開發(fā)了許多其他鎂制品，并得到廣泛的應用，其中包括高速韓國列車(KTX)的座椅框架和厚板、大型工業(yè)機器人手臂框架、自行車框架和LED散熱器。雖然韓國的鎂工業(yè)在不斷發(fā)展，但由于電子工業(yè)的變化，最近有些停滯不前。據預測，由于積極研究開發(fā)新的合金，應用先進的加工技術和鎂產品，韓國鎂市場在未來將繼續(xù)增長。從世界鎂產業(yè)發(fā)展歷程可以看出，鎂合金以其巨大的技術和經濟優(yōu)勢，正在廣闊的領域中不斷得到開發(fā)和應用。世界發(fā)達國家和地區(qū)鎂產業(yè)的發(fā)展大多以豐富的鎂資源和先進的加工裝備為依托，以先進的科技為支撐，以政府、企業(yè)、科研部門的大力配合為保障。

  從世界鎂產業(yè)發(fā)展歷程可以看出，鎂合金以其巨大的技術和經濟優(yōu)勢，正在廣闊的領域中不斷得到開發(fā)和應用。世界發(fā)達國家和地區(qū)鎂產業(yè)的發(fā)展大多以豐富的鎂資源和先進的加工裝備 為依托，以先進的科技為支撐，以政府、企業(yè)、科研部門的大力配合為保障。

  2、鎂合金加工技術

  鎂合金加工技術主要包括壓鑄、擠壓、鍛 造、冷軋、熱軋、粉末冶金、3D打印、表面處 理等工藝。這些加工技術可以滿足不同形狀和性能要求的零部件制造和產品生產，廣泛應用于汽 車、電子、機械、航空、醫(yī)療等領域。在加工過程中，需要考慮材料的特性，如熔點低、易氧化、易燃等，同時還需要注意防止鎂合金加工過 程中產生的火災和爆炸等安全問題[13]。下面介紹幾種主要的鎂合金加工技術。

  2.1 壓鑄成形技術

  鎂合金壓鑄是一種將液態(tài)鎂合金注入模具 中，通過高壓力使其冷卻凝固成型的成形技術[13]。 具體來說，該技術包括以下步驟：準備模具：根據零件的形狀和尺寸設計制 作合適的壓鑄模具。 加熱熔融：將鎂合金加熱熔融至液體狀態(tài)。壓鑄成形：將熔融的鎂合金噴射入預熱好的模腔中，通過高壓力使其充滿整個模腔，并迅 速冷卻凝固成型。 脫模清理：待成型的零件在模具中冷卻一 定時間后，取出并清理去除表面上的余料、毛刺等不良物。

      熱處理：對于需要增加強度、硬度等性能 的零件，可通過熱處理工藝進行處理。 

      檢驗、修整：對成型的零件進行檢驗，如有缺陷可進行修整或返工。

鎂合金壓鑄具有生產效率高、生產成本低、產品密度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此在汽車、電 子、航空航天等領域有廣泛的應用。壓鑄是制造鎂合金制品的重要工藝之一，也是目前應用最廣 泛的一種加工技術。據統計，全球鎂合金生產中 90%以上采用壓鑄工藝。因此可以說，壓鑄鎂合金占據了鎂合金制品總量的相當大比例。

  2.2 擠壓成形技術

  鎂合金擠壓成形技術是指通過在高溫下將鎂 合金棒料塑性變形，將其擠壓成所需形狀和尺寸的毛坯，然后經后續(xù)加工制造成零件或產品的技術。鎂合金擠壓成形技術通常包括以下步驟：

  前處理：包括切割、鋸切、修剪等操作以準備金屬坯料進行擠壓成形。

  加熱：將金屬坯料放入加熱爐中進行預熱 和均熱，使金屬坯料達到適合擠壓的溫度。

  模具準備：將擠壓模具進行清潔、涂抹隔 離劑、安裝等準備工作，確保模具在擠壓過程中不會出現卡死、損壞等問題。

  擠壓：將預熱的金屬坯料置于擠壓機上，并施加壓力擠壓金屬坯料，使其通過模具形成所需的截面形狀。

  后處理：包括切割、去毛刺、去掉擠出 頭、清洗等操作，以得到最終的零件或產品。

  該技術通常采用半固態(tài)擠壓或熱擠壓工 藝，具有成形能力強、生產效率高、精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于制造航空航天、汽車、電子設備等領域的高強度、輕量化零部件和產品。

  2.3 鍛造成形技術

  鎂合金鍛造是一種利用壓力將金屬材料變 形成形的加工方法，可以生產出各種形狀的金屬零件。其步驟包括：

  加熱：將鎂合金加熱到一定的溫度，通常 是在400~500 ℃的溫度范圍內，以提高材料的塑 性和變形能力。

  鍛造：將預熱好的鎂合金鋼坯放入鍛壓機 中，在加熱條件下進行錘打、壓制、擠壓等操作，使鋼坯變形成所需的形狀。

  熱處理：對鍛造好的鎂合金零件進行熱處 理，包括固溶處理和時效處理，以提高材料的力學性能。

  機加工：對熱處理后的鎂合金零件進行機 加工，包括銑削、車削、鉆孔、磨削等操作，以得到最終的產品形態(tài)和尺寸。

  鎂合金鍛件具有高強度、高韌性、高耐熱性 和輕量化等特點。需要注意的是，因為大多數鎂合金的塑性較差，容易發(fā)生表面裂紋等問題，所以在鍛造過程中需要控制加熱溫度、鍛造速度和鍛造工藝等因素，以保證產品的質量和穩(wěn)定性。

  2.4 軋制成形技術

  鎂合金軋制是一種將鎂合金板材通過連續(xù)軋制變形成形的加工工藝，根據板坯的溫度分為熱軋和冷軋。該技術通常包括以下步驟：

  板材準備：將熔煉的鎂合金澆鑄成板坯，然后經過加熱、氧化皮去除、平整等步驟，使板坯達到適宜的加工狀態(tài)。

  軋制：熱軋一般需要將板坯加熱到一定溫度，然后通過軋機的輥壓制，使板材進行塑性變形并延長。該步驟通常需要多次軋制，以獲得所需的厚度和形狀。將軋制的板材進行進一步的變

形和壓制，以獲得更高的表面質量和更加精確的 尺寸。

  后處理：包括退火、表面處理、切割等步 驟，以改善材料的性能和適應不同的應用場合。

  鎂合金軋制成形技術具有高效、節(jié)能、環(huán) 保等優(yōu)點，適用于生產各種用途的板材、帶材、薄壁管等材料[20-21]。

  2.5 粉末冶金技術

  鎂合金粉末冶金技術是一種將金屬粉末壓 制成形，然后通過燒結等方法燒結成零件的技術方法，用于制備高性能、復雜形狀的鎂合金零件。具體步驟包括：

  原料準備：選擇合適的鎂合金粉末，根據 需要添加合適的添加劑和粉末潤滑劑?；旌希簩⒉煌姆勰┌匆欢ū壤旌暇鶆?。

  壓制：將混合后的粉末放入壓制模具中， 施加高壓力將其壓制成所需形狀。

  脫模：將壓制好的零件從模具中取出。

  烘干：將脫模后的零件在烘箱中烘干，去 除水分。

  燒結：將烘干后的零件在高溫爐中進行燒 結，使其粒子間結合得更緊密，形成致密的零件。

  粉末冶金技術可以制備出形狀復雜、密度 均勻、性能優(yōu)異的零件，還可以節(jié)約成本、減少廢料等，在航空航天、汽車、電子等領域都有廣 泛應用。

  2.6 3D打印技術

  鎂合金3D打印技術是一種新興的加工技術，它利用計算機輔助設計軟件將三維模型轉化 為可打印的文件，使用激光或電子束等技術，將粉末狀的鎂合金材料層層熔融成型，制成各種復雜形狀的零部件。該技術的優(yōu)點包括可以實現自 由曲面的打印、減少原材料浪費、可以制造出更復雜的幾何形狀，以及可以快速生產小批量和定 制化的產品，例如航空航天領域中的發(fā)動機零件、醫(yī)療設備中的骨骼支架以及汽車行業(yè)中的車身結構件等。

  2.7 表面處理技術

  鎂合金表面處理技術旨在改善鎂合金的表 面質量、提高其表面性能、增加使用壽命和裝飾效果。一般情況下，鎂合金的表面處理分為機械處理和化學處理兩大類。其中，機械處理主要包 括拋光、噴砂等方法，可以消除表面缺陷，增強材料的表面光潔度?；瘜W處理包括陽極氧化、化學鍍、電鍍、噴涂等方法，可以改善鎂合金表面 的耐磨、耐腐蝕等性能，同時還可以增加其表面裝飾效果。另外，還有一些新型表面處理技術， 如激光處理、等離子體噴涂等，也能夠有效地提高鎂合金的表面質量和性能。

  3 鎂合金結構材料的應用

  3.1 車用鎂合金零部件的開發(fā)與規(guī)模應用

  車用鎂合金零部件的開發(fā)和規(guī)模應用近年 來發(fā)展迅速。鎂合金在汽車行業(yè)的應用主要集中在輕量化、提高燃油效率、提高安全性能等方面。鎂合金具有高強度和低密度的優(yōu)秀特性， 因此可以在汽車零部件上應用以實現輕量化。汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之 一[31]。

  中國發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》提出，與2015年相比，2020年汽車質量減少10%，2025年減少20%，2035年減少35%。汽車每減少100 kg，可節(jié)省燃油0.3~0.5 L/(100 km)，可 減少CO2排放8~11 g/(100 km）。目前，在汽車車身結構材料中，使用最多的仍然是鋼材和鋁材。鎂合金的比強度明顯高于鋁合金，比剛度與 鋁合金和鋼相當，單位質量下能夠承受更高的負荷，因此用鎂合金替換鋼和鋁作為汽車的部分零 件，能夠實現減重的效果[34]。例如，用鎂合金代 替?zhèn)鹘y的鋁合金或鋼材制造汽車輪轂、車架等部件，可以使整車質量減輕，降低燃油消耗。

  其次，鎂合金具有良好的導熱性能，可以 有效降低發(fā)動機的熱損失，提高燃油效率。例如，鎂合金可以用于制造發(fā)動機油盤、氣門蓋、排氣管等部件。

  此外，鎂合金具有良好的抗沖擊性和抗彎 曲性，因此在汽車安全部件上的應用可以增強汽車的碰撞吸收性能。例如，使用鎂合金制造車門框、車輪懸掛等部件，可以提高汽車在碰撞時的 安全性能。鎂合金也可以用于制造汽車的防護部件，如車身防護罩、撞擊板等，以保護車輛內部和乘客免受碰撞造成的損害。

  近20年來，各國政府對鎂合金的發(fā)展和應用的高度重視，大大推動了鎂產業(yè)的發(fā)展，特別 是鎂產品在汽車上的應用[17,36]。歐洲研制的鎂合金汽車零部件已超過60種。北美開發(fā)和研制的鎂 合金汽車零部件已超過100種。我國已開發(fā)出100 多款鎂合金汽車零部件，包括高品質鎂合金方向盤骨架、儀表盤支架、座椅骨架、中控支架、顯 示屏支架、空調支架、變速箱殼體、轉向支架、油底殼、扶手支架、防撞梁、發(fā)動機支架等。重慶博奧鎂鋁金屬制造有限公司、浙江萬豐新材料 科技有限公司、上海鎂鎂等多個鎂合金汽車零部件廠家建立了完整的技術體系，成為寶馬、保時捷、沃爾沃、通用、福特等世界知名汽車廠商的 合格供應商，供應了全球90%以上的鎂合金汽車 零部件。

  目前，幾乎全部乘用車使用鎂合金零部 件，其中絕大多數為壓鑄件。隨著新型鎂合金開發(fā)及零部件制造技術的進一步提高，鎂合金在汽車上的應用潛力將進一步發(fā)揮。特別是由于新能 源汽車的迅猛發(fā)展，對輕量化提出越來越高的要求，鎂合金在其中扮演著愈加重要的作用，從而迎來難得的發(fā)展機遇。例如，奧迪、特斯拉等品 牌的部分高端汽車逐漸開始應用鎂合金擠壓管型材、鍛造輪轂，重慶長安汽車等國內自主品牌汽 車開始研發(fā)鎂合金板材沖壓座椅。

  從20世紀90年代起，鎂合金在汽車領域中 應用量的年增長率達20%，2019年全球汽車鎂合 金零件產量約30萬t。由于鎂及鎂合金的穩(wěn)定規(guī)模化生產和青海鹽湖鎂業(yè)的逐步投產，原材料價 格將呈穩(wěn)中有降的趨勢，將進一步加速鎂合金在 汽車上的大量使用。

  隨著新能源汽車高速發(fā)展，續(xù)航、產量、 成本問題日益突出，而特斯拉引領的一體壓鑄技術同時滿足輕量化、提效、降本需求。一體壓鑄的本質是在零部件尺寸和應用部位上實現重大突 破的高壓鑄造技術。目前車企紛紛跟進布局，應用部位不斷拓展，一體壓鑄滲透率和單車價值齊升。目前除特斯拉完全自制、小鵬部分自制外， 蔚來、理想、高合等車企均選擇與壓鑄廠合作，因此頭部壓鑄廠在設備、材料、模具、量產進度 和客戶定點方面均具備明顯優(yōu)勢。

  鎂合金在汽車行業(yè)的應用逐漸普及，但因 生產成本較高，目前仍有一定障礙。隨著生產技術的提高和市場需求的增加，生產成本也會不斷降低，預計鎂合金在汽車行業(yè)的應用規(guī)模將進一 步擴大，應用前景非常廣闊。

  總的來說，鎂合金的應用將有助于汽車行 業(yè)實現輕量化、降低燃油消耗和提高安全性能，是一個值得關注的發(fā)展方向。

  3.2 鎂合金在軌道交通上的應用

  隨著高性能鎂合金材料和應用技術的發(fā)展 和進步，鎂合金已開始在高鐵、動車、地鐵等軌道交通車體上批量應用[38-39]。鎂合金在軌道交通車輛上的應用形式主要包括鑄件和擠壓型材。

  法國和日本等軌道交通先行發(fā)展國家非常重 視鎂合金在軌道交通列車上的開發(fā)與應用。日本以軌道交通應用為目標，開發(fā)了燃點在1 200 ℃的高性能阻燃鎂合金，試制了輕質鎂合金高鐵車 體結構體，由擠壓型材和軋制鎂合金構成，比鋁制結構減重約30%。法國在TGV Duplex雙層高速列車座椅上應用鎂合金鑄件，包括小桌面板、扶手、腳踏板、側面面板。相比鋁合金， 每個雙人座椅質量由36 kg減至30 kg。韓國的KTX特快列車座椅基座使用鎂合金板材零件， 相較鋁合金-玻璃鋼結構，每個座椅減重5 kg。

  我國在十幾年前就已開始探索和嘗試鎂合 金在軌道交通車輛上的研發(fā)與應用。目前，軌道交通用鎂合金鑄件大多采用AZ91鑄造鎂合金以及AZ31和ZK60變形鎂合金。我國已研制出了車 體內飾件、過渡車鉤、行李架、座椅骨架、車體型材等，并從研發(fā)各環(huán)節(jié)進行大量嘗試，積累了豐富的工程化經驗。鎂合金座椅支架、扶手等已 在和諧號動車組批量應用和運營10年;鎂合金行李架、車下線槽、設備艙橫梁等次承載件已用于復興號動車組，應用后的輕量化效果非常明顯， 與原有鋁合金構件相比減重約30%。目前，我國已初步建立了鎂合金設計-工藝-檢查-運維等技 術體系，為鎂合金在軌道交通車體的進一步發(fā)展應用奠定了堅實基礎。

  重慶大學國家鎂中心開發(fā)了以ZM61[41-46]和 AT系列[47-50]為代表的低無稀土高強度鎂合金、VW系列[51-56]為代表的超高強度鎂合金等高塑性、高成形性的變形鎂合金材料，為高性能鎂合金在軌道交通車輛上的進一步應用打下基礎。十幾年來，重慶大學通過與企業(yè)合作，開發(fā)了 200~500 mm寬度的鎂合金大型中空型材和高性能支撐梁等新型鎂合金軌道及交通構件，為鎂合金材料與構件在軌道交通車體主結構件上的應用進 行重要探索，并為后續(xù)應用提供重要支撐。

  3.3 鎂合金在電動自行車上的應用

  鎂合金在電動自行車中的應用非常廣泛， 主要有以下幾方面：①車架：鎂合金具有輕質、 高強度、耐腐蝕等優(yōu)良特性，因此在電動自行車的車架上應用非常廣泛，可以使車身更加輕便， 同時增強了車架的穩(wěn)定性。②電機座：電動自行 車的電機是關鍵部件，電機座是電機的重要配件，鎂合金的良好導熱性能可以使電機散熱更 快，降低故障率[35]。③車輪：車輪是電動自行車的重要部件，鎂合金的高強度和輕質特性可以保證車輪的穩(wěn)定性，減少行駛過程中的抖動，提高 騎行的舒適性。④車把：車把是騎行者控制車輛的重要部件，鎂合金的高強度和輕質特性可以保證車把的穩(wěn)定性，增加控制靈活性。⑤其他部件：鎂合金還可以用于電動自行車的其他部件，如車架托架、前叉、后懸架等，可以保證車輛整體的穩(wěn)定性和耐久性。

  2022年我國電動自行車保有量已接近3億 輛，年產量一直保持在2 000萬輛以上。但是， 80%以上的電動自行車目前都屬于超標產品(質量及最高速度)。按照現行的國家標準，電動自 行車最高車速應不大于20 km/h，整車質量應不大于40 kg。對增加了電池的電動自行車來說，輕量化是一個很重要的選擇，而且在整車減重上 有明顯效果后，將會使一次充電后行駛距離進一步延長。鎂合金不僅減振性好，舒適度高，而且散熱性好，可降低剎車系統溫度，延長剎車輪轂 使用壽命，較輕的鎂合金輪轂還有利于改善加速 與剎車性能[57-58]。

  目前，廣東、天津、河北、浙江、山西、山東等省市已經有很多企業(yè)生產鎂合金自行車和電動自行車部件。除了車架、支梯、泥板、支棍等鎂合金車體部件外，鎂合金輪轂的應用更是加大了單車鎂合金的用量。如果有50%的電動自行車每輛使用5 kg的鎂合金，預估一年將 會新增80000 t的鎂合金市場。

  3.4 鎂合金在LED照明燈具上的應用

  LED被公認為當前最具發(fā)展前景的第四代綠色光源。鎂合金是一種高性能的金屬合金，因其 輕質、高強度、良好的導熱性和電導性等特點，在LED照明燈具中得到廣泛應用。

  首先，鎂合金的輕質特性可以減少燈具的 整體質量，使得燈具安裝更方便，也減小了運輸成本;其次，鎂合金的高強度特性可以保證燈具在使用過程中的穩(wěn)定性，并且鎂合金具有較好 的耐腐蝕性，能夠抵抗一定的腐蝕和磨損;最 后，鎂合金的良好導熱性可以有效地散熱，保證LED燈具在使用過程中不會因為散熱不足而造成 過熱現象，從而延長燈具的使用壽命。此外，鎂合金的電導性也可以使電流的流通更加順暢，保證LED燈具的正常工作。LED燈具發(fā)熱量很大， 如果不進行有效的散熱處理，會對LED的壽命造成影響。室溫下純鎂的熱導率為158 W/(m·K)， Mg-Zn系和Mg-Mn系變形鎂合金的熱導率可達 110～140 W/(m·K)，其總體散熱性能優(yōu)于鋁合金。鎂合金具有優(yōu)良的導熱性能和輕質的特點，因此可以用作LED照明燈具的散熱器。盡管鎂合 金的熱導率比鋁差，但鎂合金零部件的散熱效果卻高于鋁合金，這為鎂合金在散熱要求較高的 LED行業(yè)推廣應用提供了非常好的機會[59-62]。

  鎂合金應用于LED照明領域的部件主要是路燈殼體及燈架、燈管型材、筒燈殼體、球泡燈 殼體、隧道燈殼體以及LED散熱模組等。包括鎂合金壓鑄件和型材，表面處理采用氟碳噴涂、噴塑和陽極氧化。據初步估計，每年鎂合金在LED 行業(yè)的應用量將達到數萬噸?？傊?，鎂合金在LED照明燈具中的應用可以有效提高燈具的整體 性能，延長燈具的使用壽命，為用戶提供更加安 全、可靠和高效的照明方案。

  3.5 鎂合金在3C產品領域的應用

  鎂合金是一種輕量化合金，在3C產品領域有著廣泛的應用。具體而言，鎂合金常被用于以 下幾種產品：①筆記本電腦：鎂合金用于制造筆記本電腦的外殼和底座，因為它具有輕質、耐用和美觀的特點。目前惠普、戴爾、聯想等主流品 牌均大量使用鎂合金，而且應用量正在呈上升趨勢。②智能手機：鎂合金也常用于制造智能手機的外殼，以提高產品的質量和耐久性。③平板電 腦：鎂合金也用于制造平板電腦的機身，以提高產品的質量和耐久性。采用鎂合金壓鑄或擠壓板材通過CNC機加工3C產品外殼，可以獲得優(yōu)異的力學性能和外觀質量，因此，微軟公司平板電腦外殼幾乎都采用鎂合金，每年的使用量超 過1萬t。④飛行器：鎂合金的輕量化特性使其成為飛行器的理想材料，常用于制造飛行器的機身 和其他結構件。⑤應用鎂合金的3C產品還包括投 影儀、數碼相機、網絡通信設備、視聽設備等。

  3.6 鎂合金在航空航天工業(yè)上的應用

  鎂合金在航空航天工業(yè)上的應用非常廣泛。由于其具有輕質、強度高、耐腐蝕性好等特點，鎂合金是航空航天工業(yè)中非常重要的材料。在航空航天領域，鎂合金通常用于制造噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機、航空器結構件、火箭發(fā)動機燃 料箱等。鎂合金具有較高的強度和較低的密度，因此可以顯著減輕航空器的質量，提高飛行性能和安全性。

  鎂由于其低密度、高比強度的特性很早就 在航空工業(yè)上得到應用。商用飛機減重相同質量帶來的經濟效益是汽車的近100倍。戰(zhàn)斗機的輕

量化效益又是商用飛機的10倍。更重要的是，輕量化帶來的機動性能改善可極大提高戰(zhàn)斗機的戰(zhàn) 斗力和生存能力。

  二戰(zhàn)時主戰(zhàn)飛機已開始使用鎂合金，單架 飛機的最高應用量超過4 t。隨著高強度鎂合金 的發(fā)展和制備加工技術的進步，鎂合金已被廣泛應用在軍用飛機上以減輕零件質量，提高飛行性 能。例如，美國在B-2、B-36、B-52等轟炸機，C-121、C-124、C-130、C-133等運輸機，HC[1]18、CH-53E等直升機，PW100、TPE331等渦輪發(fā)動機等重要關鍵裝備上大量使用高性能鎂合 金，應用部件包括多種框架結構、發(fā)動機機罩、渦輪風扇、齒輪箱體等。

  我國也逐漸開發(fā)出多種軍用飛機用鎂合金零 部件，包括發(fā)動機減速機匣、齒輪減速機匣、齒輪傳動箱機匣、軍機彈射座椅、座艙蓋骨架、發(fā)動機葉柵、起動機殼體、發(fā)電機殼體、加油吊艙等。

  長期以來，由于鎂合金的阻燃性能等問 題，民用客機基本上未應用鎂合金材料。經過過去幾年的努力，WE43等新型鎂合金通過美國波音公司的燃燒測試，并已通過美國工程師協會認 證，初步通過美國FAA認證。目前，國內外已針 對飛機需求研發(fā)出多種新型高性能鎂合金材料。

  波音公司聯合重慶大學、上海交通大學等 多家國內高校，開發(fā)了新型鎂合金材料用于航空座椅。重慶大學開發(fā)了高強韌鎂合金材料，用于航空集裝器結構件的制備加工。重慶大學 與中航成發(fā)公司合作開發(fā)了超薄鎂合金發(fā)動機 葉柵。因此，鎂合金已在航空航天工業(yè)上展現出廣闊的應用前景。

  總的來說，鎂合金在航空航天工業(yè)中的應 用將有助于提高航空器的性能、安全性和可靠性，是航空航天工業(yè)中不可或缺的材料。

  3.7 鎂合金在國防軍工方面的應用

  鎂合金是一種高強輕質的合金材料，因具 有優(yōu)良的力學性能、阻尼性能、電磁屏蔽性能和導熱性能而在國防軍工領域被廣泛使用。

  鎂合金早在20世紀初就被運用于軍事工業(yè)領域。在第二次世界大戰(zhàn)時，鎂合金迎來了其第 一個飛速發(fā)展期。鎂合金能減輕武器裝備質量，實現武器裝備輕量化，是提高武器裝備各項戰(zhàn)術 性能的理想結構材料。過去，鎂合金在軍事上的應用主要是在航空領域，但近年來，鎂合金及鎂基復合材料已逐步在武器和彈藥上得到成功應 用，并且發(fā)展十分迅速[7]。  目前的兵器零件中，如槍械武器、裝甲車 輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材，有較大數量的鋁合金零件和工程塑性件，但隨著鎂合金性能的提升，用鎂合金替 代一些中低強度的鋁合金零件的可行性逐漸升高。軍用計算機、通信器材箱體、殼體、板類等零件對輕、薄、便攜的追求讓鎂合金在3C行業(yè)的優(yōu)勢得到了體現，鎂合金在3C領域的發(fā)展與現代軍隊“信息化”“電子化”的發(fā)展趨勢相得益彰。

  總之，鎂合金是一種重要的國防軍工材料，在保障國家軍事安全方面發(fā)揮著重要作用。

  4 存在的主要問題

  盡管近年來鎂合金在結構材料方面已經取 得了顯著進步，但與鋼鐵材料和鋁合金相比還有一定的差距，存在的主要問題包括以下幾個 方面。

  (1)鎂合金的生產成本較高

  相比鋼鐵和鋁合金來說，單位質量的鎂 合金顯得更加昂貴，這是因為鎂合金的生產過程相對復雜，生產過程還需要精密的控制和防護，以確保鎂合金具有良好的使用性能和安全 性。另外，高性能鎂合金通常需要使用較為昂 貴的原材料，比如添加大量的重稀土元素Gd、 Y、Nd等

  (2)鎂合金的強度、剛度和塑韌性不足相對于其他金屬材料而言，鎂合金確實有 一些性能方面的局限性。鎂合金的強度相對較低，特別是在高溫下，它的強度會受到較大的影 響。同時，鎂合金的剛度也相對較低，這意味著在較大的載荷下它可能會變形。此外，鎂合金的塑韌性也不夠好。在高應變率的條件下，它的塑 性可能很快失效，導致破壞。

  (3)缺乏國家創(chuàng)新平臺的頂層設計

  鎂是我國唯一具有國際話語權的金屬材料 品種。目前，我國鎂行業(yè)規(guī)劃缺乏國家戰(zhàn)略支撐，沒有從國家資源能源戰(zhàn)略高度和國際競爭角度來審視鎂的重要地位。對于金屬鎂的研發(fā)和產 業(yè)化推進，來自國家層面的有效協調和科學組織明顯不足。高等院校和科研院所與企業(yè)創(chuàng)新存在脫節(jié)，鎂合金相關的國家技術創(chuàng)新中心和國家制 造業(yè)創(chuàng)新中心等平臺的有效協同沒有建立起來。

  (4)產業(yè)結構矛盾依然突出

  由于鎂合金應用領域受限，環(huán)保壓力與市 場需求的矛盾加劇，很多原鎂企業(yè)不愿在深加工領域進行投入，價格波動較大(圖3)。盡管國內用鎂量和鎂合金消費量呈上升趨勢，但用于結構件特別是大型結構件的鎂合金比重仍然較低，原 鎂產能過剩與部分品種及高端深加工產品短缺依然并存。國內鎂行業(yè)缺乏大型國企，盡管寶武 集團已入股南京云海，開始強勢進入鎂及鎂合金產業(yè)，但鎂產業(yè)總體上缺乏競爭力，產業(yè)集中度低，企業(yè)總體實力偏弱。

  圖3 中國鎂錠價格波動較大：(a)2015—2022年中國鎂錠與鋁錠年度平均價格;(b)2021年和2022年鎂錠月度平均價格

  (5)技術創(chuàng)新能力總體不足

  原鎂生產新技術發(fā)展緩慢，鎂合金材料牌 號和種類少，鎂合金加工技術、新型加工工藝與裝備發(fā)展滯后。國家和企業(yè)對鎂行業(yè)的總體研發(fā)投入還有待加強。鎂企業(yè)在基礎共性關鍵技術、 精深加工技術和應用技術的研發(fā)上投入不足，沒有形成系統的、完備的研發(fā)能力和體系，導致鎂產品普遍存在質量穩(wěn)定性差和成本高等問題，導 致企業(yè)無法有效對接新的市場機遇，也無法開拓 新的發(fā)展空間。

  5 總結與展望

  近年來研究人員對低成本鑄造鎂合金、高 性能鑄造鎂合金、高強變形鎂合金、高成型性變形鎂合金、超輕高強變形鎂合金、大規(guī)格鎂合金坯料制備技術、鎂基復合材料、鎂合金腐蝕與防 護、標準、數據庫與設計平臺等方面展開了大量研究，鎂合金工程化技術與裝備研究也取得了一些成績。目前國內鎂深加工應用處于上升期，鎂 合金在汽車、3C領域的應用也不斷突破，用量逐年增加。同時，鎂憑借其減重、高比強度和比剛度等優(yōu)勢在航空航天領域發(fā)揮著重要作用，但 高端鎂合金材料的應用研究嚴重不足。我國是鎂合金生產大國，具有資源優(yōu)勢、技術優(yōu)勢和產業(yè) 優(yōu)勢，因此大力發(fā)展鎂合金，對我國的綠色發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。未來應該重點關注以下幾個方面：

  (1)鎂合金材料發(fā)展戰(zhàn)略研究：主要開展行業(yè)動態(tài)及發(fā)展趨勢、標準與專利等知識產權、生命周期和循環(huán)經濟、技術預測與預見等戰(zhàn)略性研 究。

  (2)鎂合金材料基礎與前沿研究：主要開展綠色制備技術、智能制備技術、鎂合金材料的基 礎理論、鎂產業(yè)替代材料及應用、結構功能一體化材料等的研究，重點開展鎂合金高性能結構材 料和功能材料的基礎研究，突出前沿性、顛覆性技術源頭的科學創(chuàng)新，特別是在輕合金結構-功能一體化材料、新一代高性能鎂合金結構材料等 方面強化基礎研究和應用基礎研究。

  (3)鎂合金工程化技術與裝備研究：主要開展低成本高品質鎂冶煉技術與裝備、高品質鎂熔 體質量控制技術與裝備、大型復雜鎂合金鑄件生

產技術與裝備、鎂合金板材加工技術及裝備、鎂 合金型材加工技術及裝備、鎂合金先進鍛造成型技術與裝備、鎂合金先進表面防護與連接技術及 裝備等的研究。

  (4)高端鎂合金材料應用研究：主要開展航空航天、航海艦船、軌道交通、國防軍工及其他 極端條件領域的高端鎂合金材料研究。

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