镁合金结构材料应用现状与展望

来源：自然杂志，2023年 第45卷 第2期

作者：谭军，王芳磊，蒋斌，潘复生

摘要：镁合金密度仅为铝合金的2/3，钢铁的1/4，因此镁合金零部件的大规模应用有助于轻量化和节能减排。在碳达峰、碳中和背景下，镁材料的发展应用潜力巨大。文章分析了国内外镁合金的产业现状及其加工技术，重点综述了镁合金作为结构材料在汽车、轨道交通、自行车、3C(计算机、通信和消费电子产品)、航空航天、国防工业等领域的发展与应用情况，梳理了目前镁产业存在的主要问题，最后对镁合金结构材料的未来发展进行了展望。

关键词：镁合金;镁基复合材料;结构材料;汽车;3C;

  资源和能源短缺是制约全球经济发展的重要问题。目前，许多金属矿产资源已经枯竭，如铁、铝、锂等。金属镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地球地壳中的含量位列第七位，在常用金属中排名第四。如图1所示，金属镁行业 产业链的上游环节主要是自然界中含镁原料的 生产及提纯;中游环节是将原镁进行加工处理以待实际应用，例如镁合金、冶金添加原料(铝合金、稀土合金、炼钢脱硫、金属冶炼还原剂等)、镁肥、镁砂等;下游主要为应用环节，以镁合金为例，主要应用领域有汽车、3C(computer,communication and consumer electronics)行业、航 空航天、军工、医疗器械等。

  我国具有丰富的镁矿资源，占世界镁矿资源 的70%以上，其中目前已探明的可开采白云石镁矿超过200亿t，菱镁矿超过30亿t，盐湖氯化镁储量40亿t，可以开采千年以上。此外，海水中也含有丰富的镁资源。对镁资源的开发与利用是实现可持续发展战略的重要途径[6-7]。我国镁及镁 合金的产量已连续10多年位居世界第一(图2)，其中2021年中国的原镁供应量占世界总供应量近 90%。国内已形成以南京云海、陕西榆林和山西 运城等为代表的原镁产业集群，以及以重庆博奥镁铝、山西闻喜银光镁业集团、浙江万丰、上海镁镁、嘉瑞集团、天津东义、北京广灵等为代表的镁合金深加工产业集群。

  镁自身也具备许多优良的性能，室温下纯镁的密度仅为1.74 g/cm3，具有高比强度、高比 模量、高阻尼、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在汽车、轨道交通、 3C电子、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”[6,8-11]。党的二十大报告强调，我国需要积极稳妥推进碳达峰、碳中和，加快推动产业结构、能源结构、交通运输结构等调整优化。在碳达峰、碳中和背景下，镁材料的发展应用潜力巨大。

  图1 金属镁行业产业链

  图2 全球和中国原镁产量：(a)1998年至今全球和中国的原镁供应量;(b)2021年主要国家供应量占比图

  作为结构材料在汽车行业使用是镁合金的 主要消费方向，同时，随着3C行业的迅速发 展，用户对轻薄兼具良好散热性、阻尼减振和电磁屏蔽等性能的追求让镁合金在3C行业的需求 迅速增长。

  本文将侧重于镁合金在结构材料方向的应用进展，对镁合金在汽车、3C、航空航天等领 域的应用进行简要介绍，同时梳理了目前镁产业存在的主要问题及未来发展方向。

  1 国内外镁合金的产业现状

  1.1 我国高度重视镁合金结构材料的研发和应用

  自2000年起，我国政府、科技界和企业界开始高度重视镁产业发展，2011年以师昌绪为代表的五位院士发表了《加速我国金属镁工业发展的建议》[12]。国家科技部、工信部、发改委等在镁合金应用开发及产业化方面进行了总体战略部署，初步建立了从镁合金技术研发到产业化的技术研发体系，掌握了一批前沿核心技术和产业化关键技术，在全国建成了一批产业化示范基地。全国很多省市，特别是中西部地区，积极争取国家支持，以占领金属镁工业高地，并形成新的经济增长点及支柱产业。2003年以来，我国一直是世界上最大的原镁生产国与出口国。大力推进镁合金工业化应用，不仅是结构材料轻量化、保护环境的重要举措，也是充分利用我国丰富的资源、缓解对铁铝矿资源进口依赖的重要举措，特别是在复杂多变的国际形势下具有极其重要的战略意义。

  我国政府高度重视镁及镁合金的研发与应用，极大地推动了世界镁合金材料及其应用的发展。自2000年起，国家科技部、发改委、工信部等部门分别启动了“交通工具用镁合金零部件生产及应用共性关键技术研究开发及产业化”“高性能镁合金的研制和应用”等一批国家级科技项目和国际合作项目，在新型高强度镁合金材料、镁合金压铸技术、镁合金轧制和挤压加工技术、镁合金连接技术等方面取得了重要进展，为镁合金材料在汽车上的进一步应用打下了坚实的基础。一些非结构和非耐热的壳体类零部件，如方向盘骨架、电器支架、后窗框、门内框、辅助转动支架等，已开始使用压铸类镁合金，并取得了较好的经济效益和社会效益。

  “十三五”期间，国家科技部在重点研发计划中启动了“轻质高强镁合金集成计算与制 备”“大规格高性能镁合金变形加工材制造关键技术”“高性能镁/铝合金高品质铸件制备技术”等项目，重点关注镁合金高通量计算-高通量实验-组织性能预测-工业应用的全链条材料研发新模式、大规格变形镁合金、大型镁合金压铸构件等。

  “十四五”期间，国家科技部在重点研发计划中启动了“新型结构功能一体化镁合金变形加工材制造关键技术”“高性能镁合金大型铸/锻成形与应用关键技术”“青海盐湖新型镁基材料及前端制造技术”“高强轻质金属结构材料精密注射成形技术”“超高刚度镁基复合材料的集成计算设计与制备”“高性能金属增强镁基复合材料及制备加工技术”等攻关项目，重点关注结构功能一体化变形镁合金、大型铸/锻成形镁合金、轻合金精密注射成形、青海盐湖新型镁基材料、镁基复合材料等。

  1.2 国外非常重视镁合金及应用研发

  美国镁产业的发展起源于20世纪80年代的汽车工业。福特、通用和克莱斯勒等著名汽车公司多年来一直致力于新型镁合金汽车零部件的研发和应用。随着镁合金应用中巨大优势的显现，美国政府开始对此高度关注和重视。1996年，美国能源部与三大汽车集团签署了名为“PNGV”(新一代交通工具)的合作计划，该计划旨在大力促进镁合金的研发和应用。同时，镁合金在汽车行业的带动下，应用范围不断扩大，也逐渐应用于通信、计算机等领域。2004年，美国和加拿大的机构和公司共同设立了汽车用镁合金中长期研究计划。2006年，中国、美国和加拿大联合启动了汽车前端轻量化镁合金联合研发项目，三国共有20多家大学、研究机构和汽车公司参与。同年，北美汽车研究联盟(USCAR)发布了《2020年北美汽车用镁合金及轻量化战略展望》研究报告，该计划由美国能源部支持。USCAR的61个成员单位包括克莱斯勒、福特、通用等汽车公司，以及加拿大资源部、北美材料和零部件供应商、大学和研究机构。

  加拿大的镁资源丰富，镁产业发展较为成熟。早在1941年，哈雷镁厂(现名蒂明科公司)就已建成，是世界上历史最长、规模最大的皮江法镁厂之一。加拿大拥有技术世界领先的贝坎库尔镁厂，以及镁生产与加工领域最大的玛瑞丁公司，其产品应用到许多发达国家的汽车制造中。政府还成立了镁研究中心，致力于优化设计、工艺和材质，开发具有优良性能的镁合金汽车零部件。加拿大的镁合金开发应用得到了突飞猛进的发展，如2012年，Magna公司率先采用薄板热成型技术开发出了汽车车门内板。2020年，加拿大联合镁业公司开始建设高附加值的镁锭生产厂。2023年，联合镁业和Triple M金属公司宣布建立战略伙伴关系，支持联合镁业的金属镁回收，同时也扩大Triple M金属公司对客户的产品供应和服务。

  德国汽车产业也非常重视镁合金的开发与应用。宝马、奥迪、沃尔沃等汽车巨头正着手解决钢-镁合金混合车身结构的设计问题，同时发展了等温精密成形、等温挤-锻复合成形等镁合金零部件成形新技术，并将数值模拟仿真技术和 数控技术等先进手段用于成形工艺和模具加工，以确保零部件成形尺寸精度和产品合格率。

  日本在20世纪80年代末开发出先进的镁合金低压金属型铸造装置，为镁合金的开发应用提供了保证，并由此开发了一系列的镁合金产品。随后日本还开发出多种吨位的压铸机，为大型镁合金零部件提供了生产手段。由教育、科学、运

动和文化厅联合资助日本国内知名高校组织了9个镁合金研究组，瞄准汽车和轨道交通等应用领域，并由熊本大学牵头组织了日本最大的高性能阻燃镁合金基础研究项目。结合耐燃镁合金、加工与连接技术、防腐技术以及大型结构制造技术，日本完成了全镁车身模型设计与制作。

  韩国浦项制铁开发了镁冶炼技术，并建成大规模的生产工厂。然而，内部和外部因素导致浦项制铁镁锭停产，目前镁锭主要从中国进口。1998年镁部件开始应用于三星笔记本电脑外壳、MP3和CD/DVD播放机。自2000年以来，韩国汽车工业大大增加了镁部件的应用。2002年韩国成功开发镁薄板材料，并于2007年建成一座3000t产能的镁板厂，开始商业化生产。韩国还开发了许多其他镁制品，并得到广泛的应用，其中包括高速韩国列车(KTX)的座椅框架和厚板、大型工业机器人手臂框架、自行车框架和LED散热器。虽然韩国的镁工业在不断发展，但由于电子工业的变化，最近有些停滞不前。据预测，由于积极研究开发新的合金，应用先进的加工技术和镁产品，韩国镁市场在未来将继续增长。从世界镁产业发展历程可以看出，镁合金以其巨大的技术和经济优势，正在广阔的领域中不断得到开发和应用。世界发达国家和地区镁产业的发展大多以丰富的镁资源和先进的加工装备为依托，以先进的科技为支撑，以政府、企业、科研部门的大力配合为保障。

  从世界镁产业发展历程可以看出，镁合金以其巨大的技术和经济优势，正在广阔的领域中不断得到开发和应用。世界发达国家和地区镁产业的发展大多以丰富的镁资源和先进的加工装备 为依托，以先进的科技为支撑，以政府、企业、科研部门的大力配合为保障。

  2、镁合金加工技术

  镁合金加工技术主要包括压铸、挤压、锻 造、冷轧、热轧、粉末冶金、3D打印、表面处 理等工艺。这些加工技术可以满足不同形状和性能要求的零部件制造和产品生产，广泛应用于汽 车、电子、机械、航空、医疗等领域。在加工过程中，需要考虑材料的特性，如熔点低、易氧化、易燃等，同时还需要注意防止镁合金加工过 程中产生的火灾和爆炸等安全问题[13]。下面介绍几种主要的镁合金加工技术。

  2.1 压铸成形技术

  镁合金压铸是一种将液态镁合金注入模具 中，通过高压力使其冷却凝固成型的成形技术[13]。 具体来说，该技术包括以下步骤：准备模具：根据零件的形状和尺寸设计制 作合适的压铸模具。 加热熔融：将镁合金加热熔融至液体状态。压铸成形：将熔融的镁合金喷射入预热好的模腔中，通过高压力使其充满整个模腔，并迅 速冷却凝固成型。 脱模清理：待成型的零件在模具中冷却一 定时间后，取出并清理去除表面上的余料、毛刺等不良物。

      热处理：对于需要增加强度、硬度等性能 的零件，可通过热处理工艺进行处理。 

      检验、修整：对成型的零件进行检验，如有缺陷可进行修整或返工。

镁合金压铸具有生产效率高、生产成本低、产品密度高、性能稳定等优点，因此在汽车、电 子、航空航天等领域有广泛的应用。压铸是制造镁合金制品的重要工艺之一，也是目前应用最广 泛的一种加工技术。据统计，全球镁合金生产中 90%以上采用压铸工艺。因此可以说，压铸镁合金占据了镁合金制品总量的相当大比例。

  2.2 挤压成形技术

  镁合金挤压成形技术是指通过在高温下将镁 合金棒料塑性变形，将其挤压成所需形状和尺寸的毛坯，然后经后续加工制造成零件或产品的技术。镁合金挤压成形技术通常包括以下步骤：

  前处理：包括切割、锯切、修剪等操作以准备金属坯料进行挤压成形。

  加热：将金属坯料放入加热炉中进行预热 和均热，使金属坯料达到适合挤压的温度。

  模具准备：将挤压模具进行清洁、涂抹隔 离剂、安装等准备工作，确保模具在挤压过程中不会出现卡死、损坏等问题。

  挤压：将预热的金属坯料置于挤压机上，并施加压力挤压金属坯料，使其通过模具形成所需的截面形状。

  后处理：包括切割、去毛刺、去掉挤出 头、清洗等操作，以得到最终的零件或产品。

  该技术通常采用半固态挤压或热挤压工 艺，具有成形能力强、生产效率高、精度高等优点，被广泛应用于制造航空航天、汽车、电子设备等领域的高强度、轻量化零部件和产品。

  2.3 锻造成形技术

  镁合金锻造是一种利用压力将金属材料变 形成形的加工方法，可以生产出各种形状的金属零件。其步骤包括：

  加热：将镁合金加热到一定的温度，通常 是在400~500 ℃的温度范围内，以提高材料的塑 性和变形能力。

  锻造：将预热好的镁合金钢坯放入锻压机 中，在加热条件下进行锤打、压制、挤压等操作，使钢坯变形成所需的形状。

  热处理：对锻造好的镁合金零件进行热处 理，包括固溶处理和时效处理，以提高材料的力学性能。

  机加工：对热处理后的镁合金零件进行机 加工，包括铣削、车削、钻孔、磨削等操作，以得到最终的产品形态和尺寸。

  镁合金锻件具有高强度、高韧性、高耐热性 和轻量化等特点。需要注意的是，因为大多数镁合金的塑性较差，容易发生表面裂纹等问题，所以在锻造过程中需要控制加热温度、锻造速度和锻造工艺等因素，以保证产品的质量和稳定性。

  2.4 轧制成形技术

  镁合金轧制是一种将镁合金板材通过连续轧制变形成形的加工工艺，根据板坯的温度分为热轧和冷轧。该技术通常包括以下步骤：

  板材准备：将熔炼的镁合金浇铸成板坯，然后经过加热、氧化皮去除、平整等步骤，使板坯达到适宜的加工状态。

  轧制：热轧一般需要将板坯加热到一定温度，然后通过轧机的辊压制，使板材进行塑性变形并延长。该步骤通常需要多次轧制，以获得所需的厚度和形状。将轧制的板材进行进一步的变

形和压制，以获得更高的表面质量和更加精确的 尺寸。

  后处理：包括退火、表面处理、切割等步 骤，以改善材料的性能和适应不同的应用场合。

  镁合金轧制成形技术具有高效、节能、环 保等优点，适用于生产各种用途的板材、带材、薄壁管等材料[20-21]。

  2.5 粉末冶金技术

  镁合金粉末冶金技术是一种将金属粉末压 制成形，然后通过烧结等方法烧结成零件的技术方法，用于制备高性能、复杂形状的镁合金零件。具体步骤包括：

  原料准备：选择合适的镁合金粉末，根据 需要添加合适的添加剂和粉末润滑剂。混合：将不同的粉末按一定比例混合均匀。

  压制：将混合后的粉末放入压制模具中， 施加高压力将其压制成所需形状。

  脱模：将压制好的零件从模具中取出。

  烘干：将脱模后的零件在烘箱中烘干，去 除水分。

  烧结：将烘干后的零件在高温炉中进行烧 结，使其粒子间结合得更紧密，形成致密的零件。

  粉末冶金技术可以制备出形状复杂、密度 均匀、性能优异的零件，还可以节约成本、减少废料等，在航空航天、汽车、电子等领域都有广 泛应用。

  2.6 3D打印技术

  镁合金3D打印技术是一种新兴的加工技术，它利用计算机辅助设计软件将三维模型转化 为可打印的文件，使用激光或电子束等技术，将粉末状的镁合金材料层层熔融成型，制成各种复杂形状的零部件。该技术的优点包括可以实现自 由曲面的打印、减少原材料浪费、可以制造出更复杂的几何形状，以及可以快速生产小批量和定 制化的产品，例如航空航天领域中的发动机零件、医疗设备中的骨骼支架以及汽车行业中的车身结构件等。

  2.7 表面处理技术

  镁合金表面处理技术旨在改善镁合金的表 面质量、提高其表面性能、增加使用寿命和装饰效果。一般情况下，镁合金的表面处理分为机械处理和化学处理两大类。其中，机械处理主要包 括抛光、喷砂等方法，可以消除表面缺陷，增强材料的表面光洁度。化学处理包括阳极氧化、化学镀、电镀、喷涂等方法，可以改善镁合金表面 的耐磨、耐腐蚀等性能，同时还可以增加其表面装饰效果。另外，还有一些新型表面处理技术， 如激光处理、等离子体喷涂等，也能够有效地提高镁合金的表面质量和性能。

  3 镁合金结构材料的应用

  3.1 车用镁合金零部件的开发与规模应用

  车用镁合金零部件的开发和规模应用近年 来发展迅速。镁合金在汽车行业的应用主要集中在轻量化、提高燃油效率、提高安全性能等方面。镁合金具有高强度和低密度的优秀特性， 因此可以在汽车零部件上应用以实现轻量化。汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之 一[31]。

  中国发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出，与2015年相比，2020年汽车质量减少10%，2025年减少20%，2035年减少35%。汽车每减少100 kg，可节省燃油0.3~0.5 L/(100 km)，可 减少CO2排放8~11 g/(100 km）。目前，在汽车车身结构材料中，使用最多的仍然是钢材和铝材。镁合金的比强度明显高于铝合金，比刚度与 铝合金和钢相当，单位质量下能够承受更高的负荷，因此用镁合金替换钢和铝作为汽车的部分零 件，能够实现减重的效果[34]。例如，用镁合金代 替传统的铝合金或钢材制造汽车轮毂、车架等部件，可以使整车质量减轻，降低燃油消耗。

  其次，镁合金具有良好的导热性能，可以 有效降低发动机的热损失，提高燃油效率。例如，镁合金可以用于制造发动机油盘、气门盖、排气管等部件。

  此外，镁合金具有良好的抗冲击性和抗弯 曲性，因此在汽车安全部件上的应用可以增强汽车的碰撞吸收性能。例如，使用镁合金制造车门框、车轮悬挂等部件，可以提高汽车在碰撞时的 安全性能。镁合金也可以用于制造汽车的防护部件，如车身防护罩、撞击板等，以保护车辆内部和乘客免受碰撞造成的损害。

  近20年来，各国政府对镁合金的发展和应用的高度重视，大大推动了镁产业的发展，特别 是镁产品在汽车上的应用[17,36]。欧洲研制的镁合金汽车零部件已超过60种。北美开发和研制的镁 合金汽车零部件已超过100种。我国已开发出100 多款镁合金汽车零部件，包括高品质镁合金方向盘骨架、仪表盘支架、座椅骨架、中控支架、显 示屏支架、空调支架、变速箱壳体、转向支架、油底壳、扶手支架、防撞梁、发动机支架等。重庆博奥镁铝金属制造有限公司、浙江万丰新材料 科技有限公司、上海镁镁等多个镁合金汽车零部件厂家建立了完整的技术体系，成为宝马、保时捷、沃尔沃、通用、福特等世界知名汽车厂商的 合格供应商，供应了全球90%以上的镁合金汽车 零部件。

  目前，几乎全部乘用车使用镁合金零部 件，其中绝大多数为压铸件。随着新型镁合金开发及零部件制造技术的进一步提高，镁合金在汽车上的应用潜力将进一步发挥。特别是由于新能 源汽车的迅猛发展，对轻量化提出越来越高的要求，镁合金在其中扮演着愈加重要的作用，从而迎来难得的发展机遇。例如，奥迪、特斯拉等品 牌的部分高端汽车逐渐开始应用镁合金挤压管型材、锻造轮毂，重庆长安汽车等国内自主品牌汽 车开始研发镁合金板材冲压座椅。

  从20世纪90年代起，镁合金在汽车领域中 应用量的年增长率达20%，2019年全球汽车镁合 金零件产量约30万t。由于镁及镁合金的稳定规模化生产和青海盐湖镁业的逐步投产，原材料价 格将呈稳中有降的趋势，将进一步加速镁合金在 汽车上的大量使用。

  随着新能源汽车高速发展，续航、产量、 成本问题日益突出，而特斯拉引领的一体压铸技术同时满足轻量化、提效、降本需求。一体压铸的本质是在零部件尺寸和应用部位上实现重大突 破的高压铸造技术。目前车企纷纷跟进布局，应用部位不断拓展，一体压铸渗透率和单车价值齐升。目前除特斯拉完全自制、小鹏部分自制外， 蔚来、理想、高合等车企均选择与压铸厂合作，因此头部压铸厂在设备、材料、模具、量产进度 和客户定点方面均具备明显优势。

  镁合金在汽车行业的应用逐渐普及，但因 生产成本较高，目前仍有一定障碍。随着生产技术的提高和市场需求的增加，生产成本也会不断降低，预计镁合金在汽车行业的应用规模将进一 步扩大，应用前景非常广阔。

  总的来说，镁合金的应用将有助于汽车行 业实现轻量化、降低燃油消耗和提高安全性能，是一个值得关注的发展方向。

  3.2 镁合金在轨道交通上的应用

  随着高性能镁合金材料和应用技术的发展 和进步，镁合金已开始在高铁、动车、地铁等轨道交通车体上批量应用[38-39]。镁合金在轨道交通车辆上的应用形式主要包括铸件和挤压型材。

  法国和日本等轨道交通先行发展国家非常重 视镁合金在轨道交通列车上的开发与应用。日本以轨道交通应用为目标，开发了燃点在1 200 ℃的高性能阻燃镁合金，试制了轻质镁合金高铁车 体结构体，由挤压型材和轧制镁合金构成，比铝制结构减重约30%。法国在TGV Duplex双层高速列车座椅上应用镁合金铸件，包括小桌面板、扶手、脚踏板、侧面面板。相比铝合金， 每个双人座椅质量由36 kg减至30 kg。韩国的KTX特快列车座椅基座使用镁合金板材零件， 相较铝合金-玻璃钢结构，每个座椅减重5 kg。

  我国在十几年前就已开始探索和尝试镁合 金在轨道交通车辆上的研发与应用。目前，轨道交通用镁合金铸件大多采用AZ91铸造镁合金以及AZ31和ZK60变形镁合金。我国已研制出了车 体内饰件、过渡车钩、行李架、座椅骨架、车体型材等，并从研发各环节进行大量尝试，积累了丰富的工程化经验。镁合金座椅支架、扶手等已 在和谐号动车组批量应用和运营10年;镁合金行李架、车下线槽、设备舱横梁等次承载件已用于复兴号动车组，应用后的轻量化效果非常明显， 与原有铝合金构件相比减重约30%。目前，我国已初步建立了镁合金设计-工艺-检查-运维等技 术体系，为镁合金在轨道交通车体的进一步发展应用奠定了坚实基础。

  重庆大学国家镁中心开发了以ZM61[41-46]和 AT系列[47-50]为代表的低无稀土高强度镁合金、VW系列[51-56]为代表的超高强度镁合金等高塑性、高成形性的变形镁合金材料，为高性能镁合金在轨道交通车辆上的进一步应用打下基础。十几年来，重庆大学通过与企业合作，开发了 200~500 mm宽度的镁合金大型中空型材和高性能支撑梁等新型镁合金轨道及交通构件，为镁合金材料与构件在轨道交通车体主结构件上的应用进 行重要探索，并为后续应用提供重要支撑。

  3.3 镁合金在电动自行车上的应用

  镁合金在电动自行车中的应用非常广泛， 主要有以下几方面：①车架：镁合金具有轻质、 高强度、耐腐蚀等优良特性，因此在电动自行车的车架上应用非常广泛，可以使车身更加轻便， 同时增强了车架的稳定性。②电机座：电动自行 车的电机是关键部件，电机座是电机的重要配件，镁合金的良好导热性能可以使电机散热更 快，降低故障率[35]。③车轮：车轮是电动自行车的重要部件，镁合金的高强度和轻质特性可以保证车轮的稳定性，减少行驶过程中的抖动，提高 骑行的舒适性。④车把：车把是骑行者控制车辆的重要部件，镁合金的高强度和轻质特性可以保证车把的稳定性，增加控制灵活性。⑤其他部件：镁合金还可以用于电动自行车的其他部件，如车架托架、前叉、后悬架等，可以保证车辆整体的稳定性和耐久性。

  2022年我国电动自行车保有量已接近3亿 辆，年产量一直保持在2 000万辆以上。但是， 80%以上的电动自行车目前都属于超标产品(质量及最高速度)。按照现行的国家标准，电动自 行车最高车速应不大于20 km/h，整车质量应不大于40 kg。对增加了电池的电动自行车来说，轻量化是一个很重要的选择，而且在整车减重上 有明显效果后，将会使一次充电后行驶距离进一步延长。镁合金不仅减振性好，舒适度高，而且散热性好，可降低刹车系统温度，延长刹车轮毂 使用寿命，较轻的镁合金轮毂还有利于改善加速 与刹车性能[57-58]。

  目前，广东、天津、河北、浙江、山西、山东等省市已经有很多企业生产镁合金自行车和电动自行车部件。除了车架、支梯、泥板、支棍等镁合金车体部件外，镁合金轮毂的应用更是加大了单车镁合金的用量。如果有50%的电动自行车每辆使用5 kg的镁合金，预估一年将 会新增80000 t的镁合金市场。

  3.4 镁合金在LED照明灯具上的应用

  LED被公认为当前最具发展前景的第四代绿色光源。镁合金是一种高性能的金属合金，因其 轻质、高强度、良好的导热性和电导性等特点，在LED照明灯具中得到广泛应用。

  首先，镁合金的轻质特性可以减少灯具的 整体质量，使得灯具安装更方便，也减小了运输成本;其次，镁合金的高强度特性可以保证灯具在使用过程中的稳定性，并且镁合金具有较好 的耐腐蚀性，能够抵抗一定的腐蚀和磨损;最 后，镁合金的良好导热性可以有效地散热，保证LED灯具在使用过程中不会因为散热不足而造成 过热现象，从而延长灯具的使用寿命。此外，镁合金的电导性也可以使电流的流通更加顺畅，保证LED灯具的正常工作。LED灯具发热量很大， 如果不进行有效的散热处理，会对LED的寿命造成影响。室温下纯镁的热导率为158 W/(m·K)， Mg-Zn系和Mg-Mn系变形镁合金的热导率可达 110～140 W/(m·K)，其总体散热性能优于铝合金。镁合金具有优良的导热性能和轻质的特点，因此可以用作LED照明灯具的散热器。尽管镁合 金的热导率比铝差，但镁合金零部件的散热效果却高于铝合金，这为镁合金在散热要求较高的 LED行业推广应用提供了非常好的机会[59-62]。

  镁合金应用于LED照明领域的部件主要是路灯壳体及灯架、灯管型材、筒灯壳体、球泡灯 壳体、隧道灯壳体以及LED散热模组等。包括镁合金压铸件和型材，表面处理采用氟碳喷涂、喷塑和阳极氧化。据初步估计，每年镁合金在LED 行业的应用量将达到数万吨。总之，镁合金在LED照明灯具中的应用可以有效提高灯具的整体 性能，延长灯具的使用寿命，为用户提供更加安 全、可靠和高效的照明方案。

  3.5 镁合金在3C产品领域的应用

  镁合金是一种轻量化合金，在3C产品领域有着广泛的应用。具体而言，镁合金常被用于以 下几种产品：①笔记本电脑：镁合金用于制造笔记本电脑的外壳和底座，因为它具有轻质、耐用和美观的特点。目前惠普、戴尔、联想等主流品 牌均大量使用镁合金，而且应用量正在呈上升趋势。②智能手机：镁合金也常用于制造智能手机的外壳，以提高产品的质量和耐久性。③平板电 脑：镁合金也用于制造平板电脑的机身，以提高产品的质量和耐久性。采用镁合金压铸或挤压板材通过CNC机加工3C产品外壳，可以获得优异的力学性能和外观质量，因此，微软公司平板电脑外壳几乎都采用镁合金，每年的使用量超 过1万t。④飞行器：镁合金的轻量化特性使其成为飞行器的理想材料，常用于制造飞行器的机身 和其他结构件。⑤应用镁合金的3C产品还包括投 影仪、数码相机、网络通信设备、视听设备等。

  3.6 镁合金在航空航天工业上的应用

  镁合金在航空航天工业上的应用非常广泛。由于其具有轻质、强度高、耐腐蚀性好等特点，镁合金是航空航天工业中非常重要的材料。在航空航天领域，镁合金通常用于制造喷气发动机、火箭发动机、航空器结构件、火箭发动机燃 料箱等。镁合金具有较高的强度和较低的密度，因此可以显著减轻航空器的质量，提高飞行性能和安全性。

  镁由于其低密度、高比强度的特性很早就 在航空工业上得到应用。商用飞机减重相同质量带来的经济效益是汽车的近100倍。战斗机的轻

量化效益又是商用飞机的10倍。更重要的是，轻量化带来的机动性能改善可极大提高战斗机的战 斗力和生存能力。

  二战时主战飞机已开始使用镁合金，单架 飞机的最高应用量超过4 t。随着高强度镁合金 的发展和制备加工技术的进步，镁合金已被广泛应用在军用飞机上以减轻零件质量，提高飞行性 能。例如，美国在B-2、B-36、B-52等轰炸机，C-121、C-124、C-130、C-133等运输机，HC[1]18、CH-53E等直升机，PW100、TPE331等涡轮发动机等重要关键装备上大量使用高性能镁合 金，应用部件包括多种框架结构、发动机机罩、涡轮风扇、齿轮箱体等。

  我国也逐渐开发出多种军用飞机用镁合金零 部件，包括发动机减速机匣、齿轮减速机匣、齿轮传动箱机匣、军机弹射座椅、座舱盖骨架、发动机叶栅、起动机壳体、发电机壳体、加油吊舱等。

  长期以来，由于镁合金的阻燃性能等问 题，民用客机基本上未应用镁合金材料。经过过去几年的努力，WE43等新型镁合金通过美国波音公司的燃烧测试，并已通过美国工程师协会认 证，初步通过美国FAA认证。目前，国内外已针 对飞机需求研发出多种新型高性能镁合金材料。

  波音公司联合重庆大学、上海交通大学等 多家国内高校，开发了新型镁合金材料用于航空座椅。重庆大学开发了高强韧镁合金材料，用于航空集装器结构件的制备加工。重庆大学 与中航成发公司合作开发了超薄镁合金发动机 叶栅。因此，镁合金已在航空航天工业上展现出广阔的应用前景。

  总的来说，镁合金在航空航天工业中的应 用将有助于提高航空器的性能、安全性和可靠性，是航空航天工业中不可或缺的材料。

  3.7 镁合金在国防军工方面的应用

  镁合金是一种高强轻质的合金材料，因具 有优良的力学性能、阻尼性能、电磁屏蔽性能和导热性能而在国防军工领域被广泛使用。

  镁合金早在20世纪初就被运用于军事工业领域。在第二次世界大战时，镁合金迎来了其第 一个飞速发展期。镁合金能减轻武器装备质量，实现武器装备轻量化，是提高武器装备各项战术 性能的理想结构材料。过去，镁合金在军事上的应用主要是在航空领域，但近年来，镁合金及镁基复合材料已逐步在武器和弹药上得到成功应 用，并且发展十分迅速[7]。  目前的兵器零件中，如枪械武器、装甲车 辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材，有较大数量的铝合金零件和工程塑性件，但随着镁合金性能的提升，用镁合金替 代一些中低强度的铝合金零件的可行性逐渐升高。军用计算机、通信器材箱体、壳体、板类等零件对轻、薄、便携的追求让镁合金在3C行业的优势得到了体现，镁合金在3C领域的发展与现代军队“信息化”“电子化”的发展趋势相得益彰。

  总之，镁合金是一种重要的国防军工材料，在保障国家军事安全方面发挥着重要作用。

  4 存在的主要问题

  尽管近年来镁合金在结构材料方面已经取 得了显著进步，但与钢铁材料和铝合金相比还有一定的差距，存在的主要问题包括以下几个 方面。

  (1)镁合金的生产成本较高

  相比钢铁和铝合金来说，单位质量的镁 合金显得更加昂贵，这是因为镁合金的生产过程相对复杂，生产过程还需要精密的控制和防护，以确保镁合金具有良好的使用性能和安全 性。另外，高性能镁合金通常需要使用较为昂 贵的原材料，比如添加大量的重稀土元素Gd、 Y、Nd等

  (2)镁合金的强度、刚度和塑韧性不足相对于其他金属材料而言，镁合金确实有 一些性能方面的局限性。镁合金的强度相对较低，特别是在高温下，它的强度会受到较大的影 响。同时，镁合金的刚度也相对较低，这意味着在较大的载荷下它可能会变形。此外，镁合金的塑韧性也不够好。在高应变率的条件下，它的塑 性可能很快失效，导致破坏。

  (3)缺乏国家创新平台的顶层设计

  镁是我国唯一具有国际话语权的金属材料 品种。目前，我国镁行业规划缺乏国家战略支撑，没有从国家资源能源战略高度和国际竞争角度来审视镁的重要地位。对于金属镁的研发和产 业化推进，来自国家层面的有效协调和科学组织明显不足。高等院校和科研院所与企业创新存在脱节，镁合金相关的国家技术创新中心和国家制 造业创新中心等平台的有效协同没有建立起来。

  (4)产业结构矛盾依然突出

  由于镁合金应用领域受限，环保压力与市 场需求的矛盾加剧，很多原镁企业不愿在深加工领域进行投入，价格波动较大(图3)。尽管国内用镁量和镁合金消费量呈上升趋势，但用于结构件特别是大型结构件的镁合金比重仍然较低，原 镁产能过剩与部分品种及高端深加工产品短缺依然并存。国内镁行业缺乏大型国企，尽管宝武 集团已入股南京云海，开始强势进入镁及镁合金产业，但镁产业总体上缺乏竞争力，产业集中度低，企业总体实力偏弱。

  图3 中国镁锭价格波动较大：(a)2015—2022年中国镁锭与铝锭年度平均价格;(b)2021年和2022年镁锭月度平均价格

  (5)技术创新能力总体不足

  原镁生产新技术发展缓慢，镁合金材料牌 号和种类少，镁合金加工技术、新型加工工艺与装备发展滞后。国家和企业对镁行业的总体研发投入还有待加强。镁企业在基础共性关键技术、 精深加工技术和应用技术的研发上投入不足，没有形成系统的、完备的研发能力和体系，导致镁产品普遍存在质量稳定性差和成本高等问题，导 致企业无法有效对接新的市场机遇，也无法开拓 新的发展空间。

  5 总结与展望

  近年来研究人员对低成本铸造镁合金、高 性能铸造镁合金、高强变形镁合金、高成型性变形镁合金、超轻高强变形镁合金、大规格镁合金坯料制备技术、镁基复合材料、镁合金腐蚀与防 护、标准、数据库与设计平台等方面展开了大量研究，镁合金工程化技术与装备研究也取得了一些成绩。目前国内镁深加工应用处于上升期，镁 合金在汽车、3C领域的应用也不断突破，用量逐年增加。同时，镁凭借其减重、高比强度和比刚度等优势在航空航天领域发挥着重要作用，但 高端镁合金材料的应用研究严重不足。我国是镁合金生产大国，具有资源优势、技术优势和产业 优势，因此大力发展镁合金，对我国的绿色发展具有非常重要的战略意义。未来应该重点关注以下几个方面：

  (1)镁合金材料发展战略研究：主要开展行业动态及发展趋势、标准与专利等知识产权、生命周期和循环经济、技术预测与预见等战略性研 究。

  (2)镁合金材料基础与前沿研究：主要开展绿色制备技术、智能制备技术、镁合金材料的基 础理论、镁产业替代材料及应用、结构功能一体化材料等的研究，重点开展镁合金高性能结构材 料和功能材料的基础研究，突出前沿性、颠覆性技术源头的科学创新，特别是在轻合金结构-功能一体化材料、新一代高性能镁合金结构材料等 方面强化基础研究和应用基础研究。

  (3)镁合金工程化技术与装备研究：主要开展低成本高品质镁冶炼技术与装备、高品质镁熔 体质量控制技术与装备、大型复杂镁合金铸件生

产技术与装备、镁合金板材加工技术及装备、镁 合金型材加工技术及装备、镁合金先进锻造成型技术与装备、镁合金先进表面防护与连接技术及 装备等的研究。

  (4)高端镁合金材料应用研究：主要开展航空航天、航海舰船、轨道交通、国防军工及其他 极端条件领域的高端镁合金材料研究。

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