镁合金材料产业发展现状的基础上,分析了其发展面临的国内外主要问题,展望了我国镁合金材料产业在稀土镁轻质结构合金材料、高强高导热镁合金材料、高强高导电镁合金材料、强镁合金材料等11个方面的未来市场需求前景。面向2030年和2035年的阶段性发展规划,本文从提高自主创新能力、优化资源配置、加强企业合作力度、构建完善的镁合金材料整体研究体系、完善平台建设等方面提出了促进我国镁合金材料产业可持续发展的相关战略。后,从注重研究体系的构建、优化产业发展格局、构建高质产业、完善配套政策体系、构建精尖人才体系等方面提出了对策建议,以期满足国民经济、国家重大工程和社会可持续发展对镁合金材料的需求。
我国积极开展了镁合金材料的研制工作,在稀土镁合金、大尺寸铸棒、大型复杂件的工程技术方面取得重要突破,研制的部分高强镁合金大尺寸复杂铸件、高强耐热镁合金大规格挤压型材/锻件等达到世界水平。具体来看,2019年,南京云海特种金属股份有限公司在技术研发和生产整合方面取得重大进展,生产的锻造镁合金轮毂在汽车主机企业得到应用。上海交通大学轻合金精密成型研究中心开发了新型轻质镁稀土合金材料,成功应用于直升机关键复杂承力部件,轻量化效果显著,并已实现批量稳定制造,填补了我国新一代直升机用高强耐热镁合金材料空白。重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心研制出AT、AE、VW系列等40多种新型镁合金,其中有16种合金成为国家标准牌号,十几种合金得到工程应用和产业化推广。东北大学开发了大规格镁合金扁铸锭生产技术,目前能够生产大截面为1450mm×400mm的镁合金大扁锭;开发了镁合金宽幅板带卷轧制成套技术,已实现产业化应用。中南大学和长春应用化学研究所等单位开发出高强高韧稀土镁合金、压铸镁合金和稀土镁合金批量生产技术,成功应用于航空、航天、、汽车、电子产品等领域,大幅降低了稀土镁合金产品的成本,提升了市场竞争力,填补了国内相关领域的空白。
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。
我国稀土资源储量居于世界位,在稀土开采、冶炼分离等方面具有优势。但目前16种稀土元素(Pm除外)的应用是不平衡的,存在轻稀土闲置、滞销等问题,导致国内以La、Ce等元素为主的稀土形成了大量积压。目前,随着汽车轻量化、电子通信等领域相关产业需求的不断扩大,各大终端企业和材料生产厂家一直致力于轻量化部件的研发,对镁合金材料的性能要求达到的高度,甚至产生许多结构功能一体化的需求。这给稀土镁合金的发展带来了新的机遇,尤其是轻稀土镁合金的开发应用,充分发挥La、Ce等稀土在镁合金材料中的优势作用,应用前景十分广阔。
与Mg-Al、Mg-Zn系合金相比,稀土元素合金化后的Mg-RE系合金,铸造过程中的工艺性能更加稳定,且在力学相关实验中表现出更加的力学行为。La、Ce稀土在镁合金中应用发展比较成熟的是AE系镁合金,主要是以混合稀土形式加入,典型代表如AE44、AE41镁合金,具有的力学性能,尤其是在延伸率上远远超过AZ91、AM60等传统非稀土镁合金。Mg-RE系合金良好的流动性使其易于压铸成型,价格优势明显,可满足民用产品的规模化生产,如已应用于汽车变速箱壳体等零部件。另外,轻稀土在Mg中的固溶度很低,有利于提高镁合金的导热性能,未来在与第五代移动通信技术相关的电子产品、基站、接入网络设备等的结构件上应用潜力很大。面向民用市场的轻稀土镁合金材料的应用开发,有助于促进稀土元素的平衡应用,解决La、Ce等高丰度稀土元素的积压问题,扩大稀土在新领域的应用,加快稀土产业转型升级,彰显稀土资源在我国高新技术产业中的战略价值和支撑作用。