隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展，對航空、航天發(fā)動機(jī)所用高溫結(jié)構(gòu)材料的性能要求也越來越高，“更強(qiáng)、更剛、更耐熱和更輕”成為對新型高溫結(jié)構(gòu)材料的要求。鈦鋁（TiAl）基金屬間化合物合金具有密度低、高比強(qiáng)度、比剛度，以及抗高溫蠕變性好及高溫抗氧化能力強(qiáng)等特點，被視為在航空航天領(lǐng)域可代替鎳基高溫合金的新1代高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

20世紀(jì)80年代美國宇航局、能源部及許多大公司已經(jīng)開始對TiAl合金的研究給予了大力支持和資助，日本金屬學(xué)會也開始了對TiAl合金的聯(lián)合開發(fā)，而我國也將TiAl合金的研究列入了“國家863高新技術(shù)發(fā)展計劃”。目前，美國航空航天局已經(jīng)開始將TiAl合金作為新1代航天飛機(jī)（X-30）發(fā)動機(jī)部件、支架和蒙皮的候選材料，而英國Rolls-royce公司也認(rèn)為TiAl合金是未來軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的必備材料，并開始應(yīng)用鋁合金鑄件來代替發(fā)動機(jī)低溫部分的定子和一些結(jié)構(gòu)件，起到降低成本的作用，且制定了鑄件表面微觀組織、化學(xué)成分等標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。

隨著研究的進(jìn)展，國內(nèi)TiAl合金的專利申請量逐漸增加。本文以中國專利檢索數(shù)據(jù)庫（CNABS）公開的TiAl合金領(lǐng)域的相關(guān)專利文獻(xiàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行檢索。檢索范圍為1985年到2016年10月間向我國國家知識產(chǎn)權(quán)局提交并公開的TiAl合金專利申請。從中去除相關(guān)性不強(qiáng)的專利申請后，共獲得184篇TiAl合金專利申請，并進(jìn)行統(tǒng)計和分析，希望為我國TiAl合金的技術(shù)發(fā)展提供參考。

一、專利申請量趨勢

雖然早在20世紀(jì)80年代，世界各國就開始于TiAl合金的各種力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)進(jìn)行了研究，并開始嘗試用于噴氣式發(fā)動機(jī)的零件、航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件、支架、蒙皮等[1]。但在我國，直到最早1990年才出現(xiàn)的TiAl合金領(lǐng)域的第一篇專利申請，通用電氣公司提交了一篇通過加入硼來提高耐高溫TiAl合金延展性的發(fā)明專利申請，但該專利中Al的添加量還比較低，僅為6%～30%（原子含量）[3]。3年后，我國申請人在TiAl合金領(lǐng)域的第1篇申請才由原航空航天工業(yè)部第621研究所提交。關(guān)于Ti-Al系金屬間化合物基合金的大型鑄錠的熔煉工藝[4]的專利申請，成為我國申請人在該領(lǐng)域的第1件申請。

圖1為我國TiAl合金領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔輬D。由圖1可見，2005年以前TiAl合金領(lǐng)域?qū)＠暾埩枯^低，年申請量最多不超過5件；2005年后TiAl合金領(lǐng)域?qū)＠暾埩砍霈F(xiàn)持續(xù)增長，并于2014年達(dá)到了峰值，但由于2015年、2016年的數(shù)據(jù)部分未公開，且2016年的數(shù)據(jù)不完整，因此不能由此確定2015年和2016年申請量下降的趨勢。

二、申請人類型及主要申請人

根據(jù)圖2可以看出，高校以及科研院所是我國TiAl合金領(lǐng)域?qū)＠纳暾堉黧w，其申請量占到了全領(lǐng)域的74%，而與之相對的，企業(yè)申請量僅占總量的23%，還有有少量其他單位申請或個人申請。與其他常規(guī)Ti合金領(lǐng)域的專利申請狀況相比，企業(yè)申請比率偏低。這主要與TiAl合金應(yīng)用領(lǐng)域相對狹窄，制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高有關(guān)。目前國內(nèi)該領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品較少。

表1顯示了我國TiAl合金領(lǐng)域?qū)＠暾埲说呐琶闆r。總體來看，前10位申請人的申請量之和占到了該領(lǐng)域國內(nèi)申請總和的61%，其中排名第1的哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請量優(yōu)勢較大，比第2名和第3名的申請人的申請量總和還要多，而排名第4～10位之間的申請人之間申請量差距不大。國內(nèi)申請人在該領(lǐng)域中占有絕對優(yōu)勢，申請量前10的申請人中僅有1家國外申請人。

三、主要技術(shù)分析

綜合來看目前國內(nèi)TiAl合金領(lǐng)域的專利技術(shù)主要涉及3大類，一類主要涉及TiAl合金本身的成分設(shè)計，一類主要涉及TiAl合金的制備方法，還有一類主要涉及TiAl合金復(fù)合材料。

由圖3中可以看出，以改進(jìn)TiAl合金制備方法為主要目的申請數(shù)量最多，占到了全部申請量的42%，通過成分設(shè)計來改善TiAl合金性能的申請量為目的的申請占總量的32%，而通過復(fù)合改性的方法來提高TiAl合金基體的性能最少，僅為26%。

對這3類申請的專利申請量的時間分布進(jìn)行進(jìn)一步研究。如圖4所示，1990-2000年間，TiAl合金領(lǐng)域的申請量較小，且僅涉及成分和制備方法2個方向，這2類的申請量基本相當(dāng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，復(fù)合強(qiáng)化作為改善TiAl合金性能的技術(shù)手段開始出現(xiàn)，2001-2005年間，TiAl合金復(fù)合材料的專利申請首次出現(xiàn)，并占據(jù)了申請總量的近1/3。于此同時，涉及TiAl合金成分和TiAl合金產(chǎn)品制備方法的申請量也都有所增加。2006-2010年間，這3個方向的申請量持續(xù)增長，其中涉及制備方法的申請量增長最快，所占比例也增加至近50%。2011-2016年間，這3類專利的申請量都顯著增長，其中涉及組分的專利申請量增長最為明顯，為2006-2010年間該方向申請量的4倍，復(fù)合改性方向的申請量所占比例有所下降。這表明這一時期，領(lǐng)域內(nèi)對于TiAl合金組分改進(jìn)的熱情重燃，投入更多的人力物力，試圖從這個方向有所突破。

1.TiAl合金成分設(shè)計專利分析

具體對主要涉及TiAl合金本身的成分設(shè)計的59篇專利申請進(jìn)行進(jìn)一步分析。Ti、Al是TiAl合金中最主要的構(gòu)成元素，2者的比例是決定合金內(nèi)部化合物類型的關(guān)鍵。具體分析發(fā)現(xiàn)，上述專利文件涉及的TiAl合金中約90%的Al含量都在43%～48%（原子分?jǐn)?shù)）的范圍內(nèi)，即以Ti-Al金屬間化合物為主?？梢姡珹l含量的并不是該領(lǐng)域研究者常識改變的關(guān)鍵要素。在此情況下，通過添加其他元素改善性能就成為TiAl合金領(lǐng)域成分改進(jìn)的主要途徑。

如圖5是對TiAl合金領(lǐng)域組分改進(jìn)專利進(jìn)行分析后的結(jié)果?？梢?，Nb、Cr是這些專利中最主要的添加元素，它們在TiAl合金中添加的頻次遠(yuǎn)高于其它元素，共有42篇專利申請中添加了鈮（Nb），占到了該部分申請總量的71%，26篇專利申請中添加了鉻（Cr），占該部分申請總量的44%。

由于TiAl合金的室溫塑性差，通過添加Nb等β穩(wěn)定元素引入塑性好的β/B2體心相，可以改善合金的塑性，且Nb的加入還可以提高TiAl合金的強(qiáng)度和抗氧化性能，因此Nb元素逐漸成為TiAl合金中必不可少的一種添加元素[5，6]。Nb可明顯提高強(qiáng)度和抗氧化性能，通過提高Nb含量而獲得高鈮TiAl合金的專利申請比例較高，占到了此類申請總量的一半以上，其采用的Nb添加量都在5%～15%（原子含量）之間。但是由于Nb元素在Ti合金中具有強(qiáng)烈的β穩(wěn)定化特性，導(dǎo)致多數(shù)高Nb的TiAl合金均為亞包晶凝固或單一β相凝固合金，非過包晶凝固合金。這些合金鑄錠和鑄件的熱裂趨向嚴(yán)重，易產(chǎn)生開裂，嚴(yán)重影響TiAl合金母合金鑄錠及鑄件的生產(chǎn)。因此，部分的申請人選擇降低Nb的添加量至5%以下，以減少了含鈮鑄造鈦鋁合金鑄錠和鑄件的熱裂趨勢[7]，這部分的申請占到了此類申請的約35%。還有少量申請中Nb的添加量超過15%（原子分?jǐn)?shù)），其中最高達(dá)到了40%（原子分?jǐn)?shù)）。大幅增加Nb的添加比例，可以使得TiAl基合金在獲得與常用變形高溫合金相似抗氧化性的同時，比重比高溫合金低一倍左右，因而具有顯著的比強(qiáng)度優(yōu)勢。但這類合金也存在著以進(jìn)行常規(guī)壓力加工和成形，成形困難及制造成本高等缺點[8]。

除Nb之外，還有近20種元素也被用于TiAl合金中，這些元素多通過固溶強(qiáng)化或析出強(qiáng)化等作用[9-11]，來提高TiAl合金的強(qiáng)度及耐高溫性能，其中Cr、碳（C）、鎳、鉬、硼（B）、錳、釩、硅、鎢的出現(xiàn)頻次較高。

2.TiAl合金制備方法專利分析

對主要涉及TiAl合金產(chǎn)品制備方法的84篇申請進(jìn)行進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，有近1/3的申請針對性明確，著力于改進(jìn)熔煉、鑄造、熱成型及熱處理中的1個或2個步驟來達(dá)到改善AlTi合金性能的目的。例如，通過特定的熔煉工藝降低鑄件或鑄錠的雜質(zhì)含量，提高鑄件的質(zhì)量[12，13]；通過特定的鑄造和熱處理工藝提高細(xì)化合金組織，得到具有細(xì)小片層團(tuán)的近全片層組織[14，15]等。還有約1/5的專利申請側(cè)重于特定形狀的AlTi合金的制備，如板材、棒材等的制備工藝。其余的專利申請中，并未明確對制備工藝中的具體步驟的改進(jìn)。

3.TiAl合金復(fù)合材料專利分析

對于主要涉及復(fù)合TiAl合金的38篇申請進(jìn)行進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷顆粒增強(qiáng)TiAl合金是最常用的復(fù)合手段，近80%的申請中都是采用陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相。如圖6所示，碳化物、氧化物是最常用的陶瓷顆粒，其次則是硼化物、硅化物和氮化物。Ti2AlC和Ti3AlC2因兼具金屬和陶瓷的雙重性能，且與TiAl的熱膨脹系數(shù)接近，因此是理想的強(qiáng)化相顆粒[16]，其加入方式既可以是直接混合加入，也可以通過原位反應(yīng)在TiAl合金基體內(nèi)生成。Al2O3顆粒成本低廉，且熱膨脹系數(shù)與TiAl合金基體接近，也是常用氧化物類增強(qiáng)顆粒，其加入方式也分為直接混合加入和原位生成加入2種，而為了更好改善TiAl合金基體的超塑性和高溫性能，Al2O3也常與Cr2O3一起配合加入[17]。除此之外，TiB2、Ti5Si3顆粒因能顯著細(xì)化組織，提高高溫變形性能和沖擊韌性，且不與基體發(fā)生界面反應(yīng)等優(yōu)點，也成為TiAl合金復(fù)合材料的強(qiáng)化相的選擇之一[18，19]。雖然TiAl基復(fù)合材料綜合了TiAl金屬間化合物和陶瓷的優(yōu)點，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐磨、耐腐蝕和韌性高等綜合性能，但強(qiáng)化相分布不均勻，后續(xù)加工困難等問題依然是復(fù)合TiAl合金材料領(lǐng)域尚需解決的問題。

四、結(jié)語

通過對我國TiAl合金領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)申請人對于該領(lǐng)域的研究非常重視，近年來領(lǐng)域內(nèi)申請量增長迅速，但仍處于基礎(chǔ)研究的階段，申請人中企業(yè)比重較小。目前國外申請人我國該領(lǐng)域的專利布局較為有限，而領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展迅速，我國創(chuàng)新主體應(yīng)抓住有利時機(jī)積極進(jìn)行專利申請布局，盡早占領(lǐng)專利市場，提高潛在的市場價值。

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