基础材料领域的高速发展给社会、经济、文化体系等各方面带来了重大变化。作为基础材料产业的一个重要门类,我国镁合金材料产业自响应落实“十三五”系列战略措施以来,自主研发了10余种镁合金材料并成功应用于航空、航天、、汽车等领域,大幅降低了镁合金产品的成本,提升了产品市场竞争力。我国镁资源丰富,受汽车节能减排及轻量化等需求刺激,有望促进镁合金材料消费市场的进一步发展,为产业发展带来机遇与挑战。
年来,我国镁产业运行总体平稳,产量、出口量持续增长。目前原镁产量主要来自于中国,根据中国有色金属工业学会统计,2019年,我国原镁产量为9.69×105t,同比增长12.2%;在价格方面,受供给增加影响,原镁均价为15949元/t,同比下跌3.3%,镁冶炼企业实际盈利水平同比小幅下降;在资源消费及市场方面,我国镁资源的消费量为4.85×105t,同比增长8.6%,增幅同比提升1.6个百分点,但国外对镁资源需求回升,我国2019年全年累计出口各类镁产品约4.52×105t,同比增长10.2%,出口量占我国镁产量的46.6%。
随着航空、航天、新一代武器装备、高速列车以及新能源汽车等领域的不断发展,高功率密度电磁器件的数量及排布密度不断增加,而运行过程中产生的热量即时导出,否则温度过高将严重影响设备运行的稳定性和可靠性,大大缩短各类器材的使用寿命,因此如何在轻量化背景下,快速有效导出器件生热是亟需解决的重要问题。
高强高导热镁合金材料及其制品生产成套技术是支撑飞机、高速列车、汽车以及电脑等散热组件发展的基础材料及关键技术,对实现上述装备轻量化、提高系统运行稳定性和使用寿命具有重要作用,到2035年,将替代同类普通高导热合金材料使用量超过30%。传统的高导热金属如Ag、Cu,由于密度太大(分别约为10.5g/cm3、8.9g/cm3)、价格高,难以满足实际应用要求。镁合金材料具有低密度的优势,是满足应用需求的潜在材料体系之一,但常用镁合金的导热系数与铝合金相比还有明显差距,因此,导热系数>125W/(m·K)的高强高导热镁合金材料及其制品的制备加工技术是该领域发展的主要方向。
镁合号众多,已在多领域大量应用的合金系列为Mg-Al系合金,特别是在铸造过程中表现出工艺稳定、烧损较小、室温条件下有着力学性能和高强耐腐蚀行为的AZ91镁合金。在变形镁合金方面,获得大量应用的是Mg-Zn系合金,其在热处理过程中表现出的时效强化行为。在该系列中,从合号ZM81的相关研究来看,其表现出比Mg–Al合金更的力学性能。ZK系合金主要为Mg-Zn-Zr系镁合金,是目前应用多的变形镁合金之一,代表是ZK61镁合金,其经高温成型冷却和人工时效处理后,抗拉强度大于300MPa,具有良好的塑性及耐蚀性,可加工性良好,能制造形状复杂的大型锻件。
Mg–Li合金的密度为1.35~1.65g/cm3,具有超轻高塑性特征,是一种超轻合金材料。美国已将Mg-Li合金应用于制造装甲输送车、航空和航天领域的非结构与次级结构件等。俄罗斯采用Mg–Li合金制成了航天器用的电器仪表件和外壳等零部件。日本把Mg-Li合金用于电子产品壳体和音响振膜等。我国近年来将Mg-Li合金应用于卫星仪表壳体件的制造中。在未来,随着研究的深入及技术的发展,超轻Mg-Li合金将会在航空、航天、汽车、计算机、通信和消费电子产品等领域有着更加深入广泛的应用。
目前,耐高温系镁合金已经在汽车发动机罩盖、缸体、引擎活塞及高速舱体等零部件上有着广泛应用。目前,各国研究者关于耐高温系镁合金的研究大部分还是聚焦于Mg、Al、Zn系的性能调控及稀土元素的合金化行为。其中,高温力学性能好的是以Mg-Gd系为代表的的镁稀土合金体系。目前亟需解决同步提高强度和塑性的问题,具体措施包括控制析出相形态分布、细化组织和降低杂质含量。另外,镁合金铸造性能应被重视,即合金设计时需综合考虑力学性能和铸造性能。就性能指标而言,强(强度>400MPa)耐热(使役温度>250℃)镁合金是目前国家亟需攻关的一类关键材料。随着技术不断地开发与发展,耐高温系镁合金将会在汽车动力系统部件、航天等对材料强度、耐高温能力及材料轻量化有着苛刻要求的领域中得到广泛应用。