镁合金作为最轻的工程金属材料，被誉为“21 世纪的绿色工程材料”。在当今时代，资源与环境问题已成为制约人类可持续发展的关键因素。随着金属材料消耗量的不断攀升以及科学技术的迅猛发展，大规模生产工艺的出现并被广泛运用，地球表层的金属矿产资源逐渐贫化。像铜、铅、锌这类金属，储量仅能维持几十年的消耗；而铝、铁的储量相对来说稍多，但也仅够使用一百年至三百年。镁在地壳中的储量极为丰富，约占表层金属矿含量的 2.3%，且在盐湖及海洋中的含量也十分可观，开发潜力巨大。在众多传统金属矿产面临枯竭危机的当下，加速开发镁基材料对于保障社会的可持续发展具有重大的战略意义。


一、镁合金的轻量化优势

镁的密度仅为 1.74g/cm³，相较于铝，它是后者的 2/3；与锌相比，仅为锌的 1/4；而相较于钢铁，更是只有其 1/5，这使得镁成为目前最轻的金属结构材料。不过，纯镁质地较软，并不适合直接用于结构材料。然而，当镁与其他金属元素结合形成合金后，其强度可得到显著提升，使镁合金成为铸造工作以及其他对强度要求较高的应用场景下的有效选择。此外，镁在钢铁加工领域也扮演着重要角色，它能够有效降低其他材料中的硫含量，是钢铁加工行业的重要支撑元素之一。镁在空气中燃烧时，会产生明亮的白光，其中包含强烈的紫外线波长。在摄影术发展早期，镁粉（闪光粉）被用于照明拍摄对象。随后，镁丝又成为了电点燃的一次性摄影闪光灯的材料。时至今日，镁粉仍被广泛应用于烟花制造以及海上照明弹等领域，以满足对明亮白光的需求。在戏剧表演中，镁也被用于营造闪电、手枪闪光以及超自然现象等各类特效。


二、金属镁制备技术的历史演进


• 1808 年：英国化学家 Sir Humphry Davy 采用熔融电解法首次成功制得了金属镁。

• 1828 年：法国科学家 A.A.Bussy 利用还原法，从熔融的无水氯化镁中提取出了纯镁。

• 1886 年：以 Bunsen 的电解槽为基础，德国建立了首个商业性电解镁厂，这标志着镁合金开始正式步入工业生产领域。


三、镁合金的分类

根据应用特性和具体用途，镁合金可被划分为 8 种不同类型（具体可参见《镁合金的研究现状与发展趋势》）。


四、镁合金制造的产业链布局


• 上游：主要涉及资源开采与原材料生产，其原材料主要来源于菱镁矿、白云石以及海水提镁等途径。

• 中游：涵盖冶炼与合金生产环节。冶炼工艺主要包括电解法和热还原法两种方式；在合金生产过程中，将镁与铝、锌、锰等元素进行合金化处理，以提升其性能表现。

• 下游：侧重于加工与应用，镁合金在汽车、航空航天、电子设备、医疗、机器人、电驱电机等多个领域都有着广泛的应用。此外，还包括循环利用与废料回收环节，通常采用再熔炼和精炼工艺对镁废料进行回收再利用，目前的发展趋势是采用低能耗的回收技术，以实现降低资源浪费和减少环境影响的双重目标。


五、镁合金的特性


• 优点：

• 密度与强度：镁合金是工业金属中密度最轻的，仅为铝的 2/3、钢的 1/4，同时又具备较高的比强度，这使得它在追求轻量化的应用场景中具有明显优势。

• 生物相容性：镁作为人体必需元素之一，在医学领域，镁合金凭借其可降解性和良好的生物相容性，受到了广泛的关注和青睐，展现出巨大的应用潜力。

• 加工性能：镁合金具有良好的铸造、焊接和机械加工特性，能够很好地满足复杂形状零部件的制造需求，为产品的设计和生产提供了更多的灵活性。

• 耐腐蚀性：通过添加稀土元素以及采用先进的表面处理技术，镁合金的耐腐蚀性能得到了显著的提高，从而拓展了其在不同环境下的应用范围。


• 缺点：

• 低弹性模量：相较于其他金属，镁合金的刚性相对较低，这可能导致其在高负载场景下出现性能不足的情况，限制了它在一些对刚性要求极高的领域的应用。

• 耐腐蚀性有待提升：尽管在耐腐蚀性能方面已经取得了显著的技术进步，但镁合金在高湿度或盐雾等恶劣环境中的抗腐蚀性仍需进一步改善，以满足更广泛的使用需求。

• 高温蠕变性能较差：镁合金在高温环境下容易发生蠕变现象，这极大地限制了它在高温条件下的应用，使其在一些高温工况的设备或部件中的使用受到制约。

• 成本较高：镁合金的生产成本高于许多传统金属材料，这一因素在很大程度上制约了其在一些成本敏感型行业的普及应用，影响了其市场份额的进一步扩大。


六、镁合金的工艺


• 成型工艺：

• 重力铸造：借助重力将熔融金属倒入永久模具中。它在生产具有复杂形状和相对光滑表面的金属零件方面表现突出。通过采用倾斜模具等技术手段来优化熔融金属的流动，并利用砂芯引入空隙或孔洞，从而增强了该方法在制造具有复杂内部几何形状和底切零件方面的适应性和多功能性，使其成为制造此类零件的首选工艺之一。其优点是成本较低，特别适合大型零部件的制造；但缺点在于冷却速度较慢，易导致晶粒粗大，进而使力学性能有所降低。

• 压力铸造：对处于熔融或摇熔状态的镁合金施加压力进行铸造的工艺。其优点是生产效率高，特别适合于制造薄壁且形状复杂的零件；然而，该工艺的缺点也很明显，即设备投资较大，且适用的镁合金种类有限。

• 挤压成型：镁合金挤压成型技术是指在高温条件下，将镁合金棒料进行塑性变形，将其挤压成所需形状和尺寸的毛坯，随后经过后续加工工序制造成零件或产品。采用此工艺生产的产品具有高强度和优良的表面质量；但其工艺相对复杂，成本也较高。

• 粉末冶金：镁合金粉末冶金技术是将金属粉末压制成形，之后通过烧结等方法使粉末烧结成零件。该技术适用于制造高性能、形状复杂的镁合金零件，能够实现均匀的微观结构；不过，其生产成本较高，对技术的要求也较为严苛。

• 摩擦搅拌加工（FSP）：搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）是 1991 年由英国焊接研究所（The Welding Institute,TWI）发明并成功应用于铝合金的一种新型固相连接技术。在 FSW 过程中，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头高速旋转并插入待焊工件的接缝处，当轴肩与工件紧密接触后，搅拌头沿着接缝旋转移动。通过剧烈的摩擦生热以及强烈的塑性变形，使接缝处的材料温度升高、软化、流动并混合。在动态再结晶的作用下，形成均匀、细小的等轴晶粒组织，从而实现材料的连接。由于 FSW 的工作温度低于被焊材料的熔点，因此可以有效避免熔焊过程中因材料熔化-凝固而产生的一系列缺陷。同时，焊缝材料在经历剧烈的塑性变形后，形成了细小致密的组织，使得接头展现出良好的综合力学性能。因此，FSP 成为镁合金的理想连接方法之一，受到了业界的广泛关注。其优点在于能够显著提升材料的力学性能和耐腐蚀性；但缺点是适用范围有限，难以对大尺寸零部件进行加工。

• 3D 打印：利用计算机辅助设计软件将三维模型转换为可打印的文件，然后采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，最终制造出各种复杂形状的零部件。3D 打印技术的优点是可以制造出传统工艺难以实现的复杂形状零件，并且能够节约材料；然而，该技术的设备成本较高，且目前其适用性和成熟度仍在不断发展和完善之中。


• 表面处理工艺：镁合金的表面处理工艺旨在改善其表面质量、提高表面性能、延长使用寿命并增强装饰效果。一般而言，镁合金的表面处理可以分为机械处理和化学处理两大类。

• 机械处理：主要包括抛光、喷砂等方法，能够有效消除表面缺陷，提升材料的表面光洁度。

• 化学处理：涵盖了阳极氧化、化学镀、电镀、喷涂等多种方法，可以显著改善镁合金表面的耐磨性、耐腐蚀性等性能，同时还能增强其表面的装饰效果。除此之外，还有一些新型的表面处理技术，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，为镁合金的应用提供了更多的可能性和更广阔的空间。


七、镁合金的应用领域


• 汽车工业：镁合金在汽车零部件制造领域有着广泛的应用，常见的如发动机壳体、方向盘骨架、座椅框架等零部件都可采用镁合金制造。通过使用镁合金来减轻车身重量，能够有效提升汽车的燃油效率，并降低碳排放，从而实现汽车的轻量化和环保化目标。早在 20 世纪 20 年代，镁合金就开始在赛车上进行应用尝试。德国大众甲壳虫汽车自 1939 年起便采用了压铸镁合金曲轴箱，截止到 1980 年，该车型的产量达到了 1900 万辆，所消耗的镁合金制品总用量高达 38 万吨。在汽车领域，镁合金主要用于制造壳体、电力系统、动力系统等关键部件。此外，像 SHP MAG 400 Ultimate 这种镁基合金，含有钆、钇、锌和锆等合金元素，在高达 300°C（572°F）的温度下仍能保持良好的性能。它不仅具备减轻重量的能力，还是一种高强度合金，具有优良的机械性能和出色的耐腐蚀性，因此被广泛应用于赛车部件的制造。

• 航空航天：轻量化需求在航空航天领域尤为突出。镁合金凭借其优越的性能，在飞机座椅框架、直升机零部件以及卫星结构等诸多航空航天部件中得到了广泛应用，显著减轻了结构重量，从而提高了飞行器的燃油效率和飞行性能，同时也有助于降低运营成本和环境影响。

• 电子设备：鉴于镁合金具有优异的电磁屏蔽性能以及轻便性特点，它被广泛应用于手机、笔记本电脑和摄像机等电子设备的外壳制造。例如，在 2024 年于美国拉斯维加斯举办的 CES 展会上，联想推出了全球首款高光不锈镁笔记本电脑 ThinkBook X Gen 4。该笔记本电脑的外壳采用了由上海交通大学丁文江院士和曾小勤教授团队研发的新型不锈镁合金，使得 ThinkBook X Gen 4 的侧面呈现出令人惊艳的高光金属外观效果。传统商用镁合金易出现腐蚀和氧化斑点，难以获得高光泽的金属外观。针对这一行业瓶颈问题，丁文江院士和曾小琴教授团队历经五年的时间，结合高通量计算和机器学习技术，成功建立了快速、广泛的镁合金关键腐蚀参数计算平台和数据库，并提出了镁合金表面动态钝化防腐技术，实现了镁合金的长期耐腐蚀性能，进而开发出了一系列高性能不锈镁合金。

• 医疗领域：镁合金的可降解性特性使其成为骨钉、骨板和血管支架等医疗器械植入物的理想材料选择，避免了患者接受二次手术以移除植入物的需求，从而减少了患者的痛苦和医疗风险。尽管镁合金具有出色的生物相容性，但其快速的腐蚀速度是限制其在临床应用中广泛使用的主要因素之一。为克服这一限制，研究人员采取了多种方法，包括选择合适的合金元素、采用适当的表面处理工艺以及利用涂层对表面进行改性等手段来控制降解速度。与生物惰性的第一代生物材料（如金属植入物、陶瓷等）以及具有生物活性和可生物降解性的第二代生物材料（如生物陶瓷和聚合物）相比，镁合金作为医疗器械材料具有显著的优势。其重量轻，密度接近天然骨骼（天然骨密度为 1.80–2.00g/cm³，镁的密度为 1.74–2.00g/cm³），并且具有较高的强度（拉伸）重量比（158kN・m/kg）。生物可吸收材料在医疗器械市场中具有明显的优势，有助于实现体内最佳的愈合效果。虽然聚合物材料作为生物可吸收材料已经应用多年，但镁合金作为一种新型的生物可吸收材料，展现出了更好的性能。与强度相对较低的聚合物相比，镁的抗拉强度更接近于骨骼，因此镁合金更适合用于承重机械医疗器械。镁作为人体中天然存在的重要元素，其生物相容性已经得到了充分的验证。全球镁技术开发商 Magnesium Elektron 与心脏医疗设备制造商 Biotronik 开展合作，经过长达十年的研究计划，成功开发出了一种可随时间被人体吸收的心血管支架技术。其中，镁合金系统 SynergMag®410 成为了 Biotronik Magmaris 支架的关键支柱。Magmaris 镁支架于 2016 年夏季由 Biotronik 正式推出，它是目前全球首个获得 CE 标志认证并经过临床验证的镁基可吸收支架。

• 机器人：镁合金凭借其轻质和高强度的特性，非常适用于制造机器人的关节、框架和外壳等关键部件。通过使用镁合金零部件，可以有效降低机器人的重量，进而降低能源消耗并提高其运行效率。例如，某些服务机器人通过采用镁合金零部件，成功实现了 30%的重量减轻，显著提升了机器人的移动灵活性和机动性，使其在各种应用场景中能够更加高效地完成任务。

• 电驱电机：在电动汽车以及工业自动化领域，镁合金的良好的导热性能和轻量化特性得到了充分的应用，被广泛用于制造电机外壳和散热组件。通过使用镁合金，可以有效降低转动惯量，并优化热管理性能，从而提升了整个电驱系统的效率和耐用性，这对于电动汽车的续航里程和工业自动化的生产效率都有着积极的影响。