镁（Magnesium） 是自然界中常见的轻质金属之一，密度约为1.74 g/cm³，远低于其他金属如铁、铜和铝。镁具有高比强度、良好的导热性、易于成形的塑性和出色的减震性。这些特点使镁成为航空、汽车、电子设备领域的理想用材。然而，镁的抗蠕变性能较差，且在腐蚀环境中容易氧化，这制约了它在高强度和高耐腐蚀要求领域的使用。
钪（Scandium） 是一种稀土元素，密度约2.99 g/cm³，具有优异的机械性能，如高强度、抗氧化、耐腐蚀及高热稳定性。钪作为添加元素，能够显著细化金属的晶粒、提升材料的力学性能和高温稳定性。钪的特性赋予其在航空航天、体育器材、核能和生物医学中的广泛潜在应用。
起源：镁钪合金最早的研发初衷是结合镁的轻质与钪的高强度，创造出一种具有高比强度和耐腐蚀性的材料，以满足航空航天、汽车制造等对轻量化和高性能材料的需求。
发展：近年来，随着材料科学和合金制备技术的发展，镁钪合金的性能得到了显著提高，并逐渐引起工业界和学术界的广泛关注。尤其是在航空航天领域，镁钪合金以其出色的机械性能和轻量化优势被视为极具潜力的新型结构材料。
1.3 镁钪合金在金属材料中的定义与定位镁钪合金是一种二元或多元合金，由镁和钪为主要成分，可能含有其他元素（如锌、锰、铝）作为微合金化元素，用以进一步调节性能。金属材料是由一种或多种金属元素组成，具有金属性质的材料。镁钪合金符合金属材料的基本定义，但其特殊性能和潜在应用领域将其定位为未来高性能轻质合金的关键发展方向。
二、镁钪合金的微观结构及其对性能的影响2.1 镁钪合金的微观组织结构固溶强化与析出强化：钪在镁基体中形成固溶体，产生固溶强化效应，提升材料的综合机械性能。此外，钪能够在镁中形成弥散的第二相颗粒（如MgSc相），这种弥散相颗粒在基体中起到阻碍位错运动的作用，提升合金的硬度和强度。
晶粒细化效应：钪元素能够显著细化合金的晶粒结构。细小的晶粒有助于提高材料的强度、塑性和韧性，并降低其脆性。晶粒细化主要通过钪在合金中形成的第二相颗粒来实现，这些颗粒在结晶过程中抑制晶界移动，避免晶粒长大。
2.2 微合金化对性能的调控合金成分与性能的关系：钪含量是影响镁钪合金性能的关键因素。通常，钪含量在0.2-0.5wt%范围内就能显著细化晶粒，提升合金的机械性能。超过一定含量的钪会引起晶粒粗化，降低材料的塑性和韧性。因此，精确控制钪含量对获得理想性能至关重要。
热处理工艺的影响：镁钪合金的性能也受到热处理工艺的影响。通过固溶处理，可以增加钪的固溶度，改善材料的强度和韧性。时效处理可使析出相更加均匀弥散，进一步提升强度。优化的热处理工艺能够显著改善合金的综合力学性能。
三、镁钪合金的性能特点3.1 机械性能高比强度：由于钪的强化作用，镁钪合金在强度方面优于传统的镁合金，且比许多铝合金还要高。在相似强度的情况下，镁钪合金的密度更低，使其在比强度方面具有显著优势。
抗蠕变性能：蠕变是高温下材料长时间受载产生缓慢变形的现象。镁钪合金的抗蠕变性能显著优于其他镁合金和铝合金，特别适用于长期在高温下承载的部件。
韧性与塑性：钪的添加在提高合金强度的同时，也改善了镁钪合金的韧性与塑性，使其在承受变形时具有更好的抵抗能力。
3.2 物理性能低密度与轻量化：镁钪合金继承了镁的低密度优势，结合钪的强化作用，使得其具有极高的比强度。轻量化设计在现代工程中尤为重要，镁钪合金的低密度特性使其成为理想的轻量化结构材料。
导电性与导热性：镁钪合金的导电性和导热性较好，适用于需要传导电流和热量的应用领域。这一特性使其在电子器件散热部件以及电磁屏蔽外壳中表现优异。
3.3 化学性能与耐腐蚀性耐腐蚀性能：镁通常容易在酸碱环境中腐蚀，加入钪后，镁钪合金的耐腐蚀性能得到显著改善。这主要归功于钪形成的细化晶粒结构以及合金中的稳定析出相，这些都阻碍了腐蚀介质的扩散与渗透。
耐氧化性能：镁钪合金在高温下表现出较好的耐氧化性能，钪的加入降低了镁的氧化速率。高温下材料氧化的缓慢进展提高了镁钪合金在高温环境中使用的可靠性。
四、镁钪合金的制备工艺4.1 熔炼工艺熔炼环境的控制：镁和钪均对氧、氢、氮等杂质敏感，在高温熔炼过程中极易被氧化或吸气。合金的熔炼通常在真空或惰性气体环境中进行，采用保护气氛（如氩气）以避免氧化和杂质的污染。
合金元素的添加与均匀化：熔炼过程需要确保钪在镁基体中均匀分布。钪的熔点较高，添加过程中需要充分搅拌，可能还需要采用辅助熔剂或通入惰性气体来促进均匀化。
4.2 凝固成形技术快速凝固技术：为了避免镁钪合金在冷却过程中氧化并获得更为细小的晶粒结构，快速凝固技术被广泛应用。这些技术包括喷射成形、快速凝固粉末冶金等，可以显著细化晶粒并提高合金的综合性能。
铸造工艺的改进：传统铸造工艺难以满足镁钪合金对致密性和微观结构的要求，因此真空铸造、半固态铸造和压力铸造等先进铸造工艺被采用，以改善合金的组织均匀性和机械性能。
4.3 塑性加工与热处理锻造与轧制工艺：镁钪合金通过锻造、轧制等塑性变形工艺进一步细化晶粒，提升材料强度和韧性。此外，通过锻造和轧制还可获得所需的形状和尺寸，使其满足实际应用需求。
热处理工艺：热处理可以改变镁钪合金的组织状态，调整其力学性能。适当的固溶处理和时效处理可以优化合金的析出相分布，提升材料的强度、韧性和耐腐蚀性能。
五、镁钪合金的典型应用5.1 航空航天领域结构轻量化材料：镁钪合金以其低密度、高比强度的特点被视为航空航天结构件的理想材料。可用于制造飞机机身、蒙皮、桁架、导弹结构以及空间探测器的外壳等。
高温抗蠕变部件：在航空发动机及高温舱体中，材料需要具备良好的高温稳定性和抗蠕变性能。镁钪合金在此类应用中表现出较强的高温稳定性。
5.2 汽车与交通运输汽车轻量化设计：镁钪合金因其出色的比强度、减震性和耐腐蚀性能，被广泛应用于汽车制造中。如车身框架、悬挂系统、轮毂、发动机部件等，采用镁钪合金可以有效减轻车重，提升燃油经济性。
轻质船体材料：镁钪合金在船舶制造中用于制作轻质船体、螺旋桨、桅杆等部件，有助于提高航速和降低燃油消耗。
5.3 电子、医疗器械及其他领域电子设备：由于镁钪合金的低密度和优异的导热性、电磁屏蔽性能，其广泛应用于手机、笔记本电脑等电子设备的外壳、散热片中。
医疗器械：镁钪合金的生物相容性和可降解性使其适用于骨科植入物、骨钉、骨板等医疗领域。合金的可降解性有助于体内植入物的吸收和分解，避免二次手术取出。
