文：重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心 谭军、王芳磊、蒋斌、潘复生

1、镁合金结构材料的应用

1.1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。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100kg，可节省燃油0.3~0.5L/(100km)，可减少CO2排放8~11g/(100km)。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。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。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。

1.2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。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1200℃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TGVDuplex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36kg减至30kg。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5kg。

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和AT系列为代表的低无稀土高强度镁合金、VW系列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200~500mm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。

1.3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。

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2000万辆以上。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20km/h，整车质量应不大于40kg。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。

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5kg的镁合金，预估一年将会新增80000t的镁合金市场。

1.4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158W/(m·K)，Mg-Zn系和Mg-Mn系变形镁合金的热导率可达110～140W/(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。

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。

1.5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。

1.6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4t。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-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。

1.7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。

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。

2、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。

(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。

3、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。