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。
我国镁合金材料产业起步晚、底子薄,在应用上整体仍处于产业链和价值链的中低端。同时,相关战略政策的执行率较低,关键工艺技术与国外差距较大,设备大多依靠进口。研发所需的技术和设备常受国外出口限制,使得镁合金材料的研发面临困难,尤其是许多核心材料的研发举步维艰、性能提升缓慢、产能也严重不足。另外,相关企业研发、生产和服务的智能化水平较低,标准、检测、评价、计量和管理等支撑体系缺失,产品性能稳定性、质量一致性需要进一步提高。
相较于普通镁合金材料,稀土镁轻质结构合金材料在添加稀土后,具有强度高、韧性好、耐热耐蚀等显著优势,解决了制约镁合金材料广泛应用的关键问题,是推进我国航空、航天、汽车、轨道交通等领域轻量化发展的关键基础材料。我国镁、稀土资源丰富,合金成型及加工技术成熟,市场应用空间大,稀土镁合金轻质结构材料产业体系完整,可实现自产自销。
稀土镁轻质结构合金材料未来的市场需求主要集中在:①镁稀土母合金、稀土镁合金短流程低成本制备技术开发及推广应用;②面向应用的新型稀土镁合金材料开发;③加工成型技术及配套装备研发;④完善稀土绿色冶炼分离技术,加快推广应用;⑤面向材料生命周期的系统研究,建立“产学研用”协同发展平台;⑥加快稀土镁轻质结构材料应用速度,在未来3~5年内实现领域向民用领域转化,逐渐扩大市场规模,到2035年将替代普通镁合金材料的比例达到30%。
强镁合金材料是支撑航空、航天、新一代武器装备、高速列车以及新能源汽车等装备不断升级发展的基础材料。我国在强变形镁合金研发与应用方面处在世界前列。但从进一步扩大镁合金材料应用的角度来看,现有的高强度镁合金材料在比强度、比刚度、断裂韧性以及性能稳定一致性等方面还有明显不足,使镁合金材料在上述领域的应用及提高其终端产品竞争力方面受到严重制约,是当前亟需解决的发展难题。强镁合金材料及其强韧化变形加工技术是镁合金领域发展的主要方向,预计到2035年,强镁合金材料替代同类普通材料量将超过20%。
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。
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。