强链补链延链 更轻更优更强 中北大学专注铝镁精深加工研发
王强教授在给学生们讲解铝镁合金组织分析。
团队老师在给学生讲轮毂挤压成形流动原理。
团队成员在做镁合金轮毂挤压成形试制实验。本栏图片由张弘 崔馨摄
在金属材料中，铝、镁最主要的特点都是轻，其中镁比铝还要轻1/3。在高端装备轻量化时代，更轻更强的铝镁制成品市场前景广阔。而我省铝镁矿储量丰富，铝镁产业发展有着得天独厚的优势，近年来，铝镁精深加工产业链更被列为首批10条省级重点产业链之一。
把产业链、创新链、人才链深度融合，推进产业强链补链延链
“这是镁合金。”6月8日，在中北大学镁基材料深加工技术教育部工程研究中心，材料科学与工程学院院长王强指着一块圆柱形金属坯料告诉记者。
镁矿又称白云石，是一种历经上亿年地质变化而形成的矿石。镁合金是从白云石中提炼出原镁，再加入其他金属后的产物，在镁产业链条中处于中游。在市场上，原镁作为结构材料难以使用，绝大多数镁制品均由各种镁合金加工制作而成。推动我省铝镁产业转型升级，需要在强链补链延链上展现新作为，需要把产业链、创新链、人才链深度融合，在铝镁精深加工产业上实现新突破。
2020年，针对国家轻量化重大战略需求和山西铝镁产业转型升级的需要，中北大学王强教授团队主持承担了山西省重大专项计划——“高性能铝镁合金结构件铸锻复合成形开发与应用”。4年来，他们实现了关键核心技术突破，帮助企业取得了巨大的经济效益，也为我省铝镁产业的高质量发展提供了助力。
料要成材，材要成器。“要达到轻量化，材料是基础，有了轻量化的材料，还要通过各种加工工艺和方法，把材料制作成高端装备所需要的零部件。零部件性能的提升是高端装备提升性能的基础。”王强介绍说。他与团队成员的工作重点，就是不断创新铝镁合金材料及其加工工艺和方法，努力在提升性能、提高质量的同时降低成本。
记者了解到，在铝镁新材料及先进成形制造领域，除了镁基材料深加工技术教育部工程研究中心，中北大学材料科学与工程学院还建成了高性能铝/镁合金材料开发及应用省部共建协同创新中心、镁合金关键技术及工艺国家地方联合工程研究中心等多个重大科技创新平台，同时拥有由何梁何利科技奖获得者、国家级领军人才、国家级青年人才等高层次人才领衔的多专业联合研究团队，致力于推进产业链与创新链、人才链有机深度融合。近年来，中北大学在新型铝镁合金设计制备、高性能铝镁合金零件成形新技术、特种成型新装备开发以及铝镁合金在高端装备上的应用，已形成鲜明的特色和优势，相关技术和产品在国防和民用领域得到广泛应用。
在镁基材料深加工技术教育部工程研究中心试制车间，两台高大的写有“中北大学”字样的机械设备非常醒目。“一台是多向挤压机，一台是多向加载旋转挤压机，都是我们自己开发研制的设备。中间这几台体形略小的是目前市场上通用的设备。”王强告诉记者。走进与车间相连的中心展览室，指着整齐摆放的汽车轮毂等铝镁合金零部件，他颇为自豪地介绍说：“这些都是中心研制的产品。”或使用新材料，或使用新工艺，或二者兼而有之，数十种银灰色形状不同的大大小小的零部件，书写着从铝镁原材料到高附加值产品的华丽转身。
从“按吨卖”走向“按件卖”，助力铝镁精深加工产业链向更深更新处探索
4年来，“高性能铝镁合金结构件铸锻复合成形开发与应用”重大专项顺利推进，王强率领团队成员在一次又一次的实验与试制中，推进铝镁合金结构件工艺取得新突破。
从铝合金或镁合金到各种零部件，加工工艺有很多种，比如铸造、锻压等。任何一种工艺都有其优缺点，铸造是一种金属热加工工艺，由于是在液态下充填模具，其最大的优点是可以成形形状更为复杂的零部件，但缺点是零部件内部结构较为疏松，力学性能相对较低；而锻造是金属材料在固态下通过利用机械设备施压变形，成形后内部结构更好，性能也更好，但缺点是不像铸造那样能成形形状复杂的零部件。
作为材料人，他们一直在寻求突破：“不断突破工艺方法的极限，不断突破材料性能的极限。比如原来某种材料做出来的产品抗拉强度为300兆帕，那么采取新的工艺能不能提升到340甚至360兆帕？原来只能做这种形状，有没有新的方法或工艺能成形形状更复杂的零部件？”“但工艺再突破，也有其局限性。”王强与团队成员提出了铸锻复合成形新工艺，“集成这两种工艺的优势，充分发挥其优点，目标是既能成形形状复杂的零件，又能提高产品性能。”他们采取先铸再锻的方法，以低生产成本、短工艺流程、高性能为重点开展了技术攻关，在铝镁精深加工领域持续深入探索。
在新工艺的实践中，他们不断克服困难，试制符合市场需求的新产品。“先铸成一个什么样的组织结构，再经过锻后就能达到新的形状和性能要求？”他们合力攻克金属坯料的组织性能、形状设计这一核心问题。利用铸锻复合成形新工艺，他们与太原市康镁科技发展有限公司携手，电动自行车、自行车的镁合金轮毂正在推广应用。“之前的轮毂都是铸造的，力学性能低、气密性差，通过铸锻复合，有效解决了这些缺陷，大幅提高了零部件的综合成品率，降低了生产成本。而且，整个轮毂比原来更轻了。”王强举例解释，比如一个产品原来的抗拉强度是300兆帕，此时壁厚需要约10毫米，即要达到10毫米的壁厚才能确保产品在使用过程中能承受住力的作用。如果抗拉强度提高到340兆帕甚至360兆帕，承受同样的力，壁厚就可以减到8毫米甚至6毫米，如此一来，整个产品的重量更轻。
“近年来开发的零部件有100多种了。不同零部件存在的问题不一样，新工艺需要达到和解决的核心目标也不太一样，但永恒的目标和主题是提高质量、降低成本。”王强说，4年来，团队与企业携手攻克一个又一个零部件制作难题，助力推动铝镁产业从“按吨卖”走向“按件卖”，铝镁精深加工不断深入。
瞄准需求持续发力，校企携手走向更“镁”的未来
“我们有联合开展的科研项目，一直在合作，好多年了。”在试制车间，前来讨论项目进展的山西瑞格金属新材料有限公司技术人员表示。企业寻找市场，校企联合攻关新产品新工艺。多年来，中北大学与全省甚至全国不少相关企业开展了长期战略合作。
“我们与瑞格合作，正在开发试制变形镁合金筒形构件，并已小批量提供样件，可进一步实现某高端装备的轻量化。”王强介绍说，与山西盛镁科技有限公司的合作也正在进行中，“联合开发并攻克了薄壁异形镁合金壳体锻造技术，可用于AR、VR眼镜上，实现轻便佩戴，并提升佩戴舒适性，做到降低重量的同时提升整体散热性能。”近年来，该团队实现了高附加值铝镁复杂构件的精密成形产业化，他们研发的关键技术目前已在众立法兰、晋西工业集团、航天二院等落地应用，建成铝镁复杂构件挤压成形生产线3条；研发的高性能镁铝材料制备、精密挤压成形等技术在我省铝镁精深加工产业链“链主”企业之一——山西银光华盛镁业股份有限公司应用，解决了产品性能低、各向异性明显的难题，并建成了大截面型材挤压生产线，使企业经济效益大幅提升。
2023年2月，中国锻压协会公布了2022年度锻造行业“十大事件”，中北大学研制的国内首台多向加载旋转挤压装备通过运行考核，成功入选。该校材料科学与工程首席学科带头人张治民教授带领团队研发的多个直线运动与一个旋转运动相匹配的多向加载旋转挤压技术及装备，属国内外首创，开辟了内环筋构件的整体锻造成形新途径，目前已在航天、国防等尖端科技领域应用，为重大装备的轻量化提供了有力支撑。
“刚才我们在展览室看到的轮毂就是镁合金汽车轮毂样品。”王强说，汽车轮毂目前多使用铝合金，镁合金轮毂比铝合金轮毂更轻，因此一方面节能减排效果更好，对于新能源汽车来说，续驶里程会更长，启动刹车性能也会更好；另一方面减震阻尼性能更好，汽车的舒适性会大大提升。“我们在实验室已经开发出了不同系列的镁合金轮毂，几年前就在企业建立了镁合金轮毂生产线，样品已通过相关测试，开始小批量生产并进入市场，目前还在不断进行市场拓展。”
“铝合金轮毂大部分使用铸造工艺，镁合金轮毂如果完全使用锻造工艺的话，性能更高，但成本也高。我们使用铸锻复合新工艺，努力探索降低成本的新路径。同时我们还与企业联合研发了镁稀土合金新材料，主要特点是耐高温，温度越高性能越好……”中北大学在铝镁领域的创新研发还在进行中，王强表示，他们会继续在铝镁精深加工这条路上坚定地走下去，为解决和满足国家重大战略重大工程的高端装备需求，为推进山西铝镁产业实现转型高质量发展而不懈奋斗。
记者手记
让创新之花不断绽放
铝镁产业是我省的优势产业，铝镁精深加工产业链是我省16条重点产业链之一。从原材料到高附加值产品，铝镁产业链的延伸关键在精深加工，在科技创新。
中北大学材料科学与工程学院拥有材料科学与工程博士后流动站和一级博士学位授权点，材料科学学科进入ESI全球排名前1%，并在铝镁新材料及先进成形制造领域建成了多个重大科技创新平台。“镁合金零部件比铝合金的更轻，性能也更好，具有广阔的市场前景。”对于铝镁产业特别是镁产业的发展，科研人员信心满满。
“目前主要还是成本较高，这也是我们研发的重点，即在提高性能的同时降低成本。”中北大学科研人员与企业携手，还在不断对材料进行更为深入的认知与分析，不断探索新工艺新方法，不断精心雕琢零部件的结构形状，推动铝镁精深加工特别是镁精深加工进一步深入，推动更多高附加值产品面世应用。
科技创新，就像撬动地球的杠杆，总能创造令人意想不到的奇迹。让我们共同期待创新之花绚丽绽放！
山西日报 记者李林霞 本报通讯员胡慧萍
