張 琪，張慶東，葉鵬程，任小靈

（中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司鋁加工事業(yè)部，北京100082）

0 前言

鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度及比剛度的合金，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。采用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)材料可使構(gòu)件質(zhì)量減輕15%，剛度提高15%～20%，被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料[1-3]。

鋁鋰合金的研究和開(kāi)發(fā)至今已有80 多年歷史，其研究歷程和發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：第一代以美國(guó)Alcoa公司的2020合金、前蘇聯(lián)的BДA23合金為代表[4]；第二代以前蘇聯(lián)的1420合金、美國(guó)Alcoa 公司的2090 合金、加拿大Alcan 公司的8090和8091 合金、法國(guó)Pechiney 公司的2091 合金等為代表[5]；當(dāng)前已發(fā)展到第三代鋁鋰合金。第三代鋁鋰合金在綜合性能水平上較以往鋁鋰合金都有大幅度的提高，其中低各向異性鋁鋰合金和高強(qiáng)可焊鋁鋰合金是第三代鋁鋰合金的兩大重要發(fā)展方向。新近開(kāi)發(fā)和改良的1460、2198、2199、2050 等鋁鋰合金已在先進(jìn)大型客機(jī)和航天器上得到廣泛應(yīng)用[6]。為滿足航空航天工業(yè)的需要，很多大型企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)第四代鋁鋰合金。與第三代相比，新一代鋁鋰合金的鋰含量將會(huì)降低（1%以下），在保證裂紋擴(kuò)展速率、疲勞性能以及彈性模量等性能和前三代鋁鋰合金相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，具有更高的靜強(qiáng)度（尤其是屈服強(qiáng)度）、更高的斷裂韌性、更優(yōu)異的淬透性[7]。

我國(guó)鋁鋰合金的研究始于20 世紀(jì)80年代，雖然起步較晚，但發(fā)展較快，對(duì)鋁鋰合金成分設(shè)計(jì)、熔鑄、加工工藝、熱處理、成型、連接及表面處理等應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了全面、廣泛的研究[8]。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司（下稱西南鋁）具備了鋁鋰合金批量化生產(chǎn)的能力，產(chǎn)品已在我國(guó)航空航天及國(guó)防軍工領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

在當(dāng)代知識(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，知識(shí)產(chǎn)權(quán)尤其是專利在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。企業(yè)構(gòu)建競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵要素正逐漸由傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)格局下的有形資產(chǎn)轉(zhuǎn)向新競(jìng)爭(zhēng)格局下的專利等無(wú)形資產(chǎn)[9]。我國(guó)研究者在開(kāi)展鋁鋰合金各方面研究的同時(shí)，也申報(bào)了大量發(fā)明和實(shí)用新型專利，有效地保護(hù)了我國(guó)鋁鋰合金的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本文從專利角度對(duì)國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的研究和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)建議，以期為我國(guó)鋁鋰合金的技術(shù)創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)提供參考。

1 中國(guó)鋁鋰合金專利基本情況

截止到2020年4月底，共檢索到與鋁鋰合金制備、加工及應(yīng)用相關(guān)的有效授權(quán)專利181件，其中發(fā)明專利158項(xiàng)，實(shí)用新型專利23件。依照專利授權(quán)公告日將2020年之前的鋁鋰合金專利按授權(quán)年份作圖（如圖1所示）。從圖1中可以看出，2011年以前國(guó)內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)專利相對(duì)較少；2011-2015年國(guó)內(nèi)鋁鋰合金專利每年的專利授權(quán)數(shù)量均比較穩(wěn)定；近四年來(lái)國(guó)內(nèi)鋁鋰合金每年的專利授權(quán)數(shù)量相比之前有了大幅增長(zhǎng)，說(shuō)明越來(lái)越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注該領(lǐng)域的相關(guān)研究。

圖1 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金專利按年度授權(quán)情況

按照專利申請(qǐng)保護(hù)的內(nèi)容分類，可以將國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的專利分為新合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開(kāi)發(fā)、深加工與應(yīng)用技術(shù)、相關(guān)輔助裝備三個(gè)大類。其中，新合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開(kāi)發(fā)類專利包括鋁鋰合金的不同成分設(shè)計(jì)、制備方法及后續(xù)熱處理工藝，主要為發(fā)明專利；深加工與應(yīng)用技術(shù)專利主要指用戶根據(jù)實(shí)際需要對(duì)材料的進(jìn)一步加工方法，具體可再細(xì)分為成型、連接、表面處理和機(jī)加工（包括機(jī)加工工藝及經(jīng)由機(jī)加工制成的最終產(chǎn)品等）四個(gè)領(lǐng)域，發(fā)明專利和實(shí)用新型專利均有涉及；輔助裝備類專利主要為輔助鋁鋰合金生產(chǎn)而開(kāi)展的裝置設(shè)計(jì)和模具開(kāi)發(fā)等，以實(shí)用新型專利為主。具體分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 國(guó)內(nèi)有效授權(quán)鋁鋰合金專利按領(lǐng)域分布情況

從圖2分布情況可見(jiàn)，專利類型覆蓋了鋁鋰合金研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)。由此可以看出，目前我國(guó)已基本形成相對(duì)完善的鋁鋰合金專利體系。

2 專利申請(qǐng)人

國(guó)內(nèi)鋁鋰合金的專利申請(qǐng)人主要可以分為三類：一是鋁加工生產(chǎn)企業(yè)，包括西南鋁、江蘇豪然噴射成形合金有限公司（以下簡(jiǎn)稱江蘇豪然）、肯聯(lián)鋁業(yè)等，申請(qǐng)的專利主要包括新合金制備及工藝開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)輔助設(shè)備等；二是非航空航天領(lǐng)域高校及研究機(jī)構(gòu)，包括中南大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、北京有色金屬研究總院、鄭州有色金屬研究院等，申請(qǐng)的專利主要為新合金制備和工藝開(kāi)發(fā)；三是航空航天領(lǐng)域的高校、研究所及應(yīng)用單位等，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所、上海航天設(shè)備制造總廠等，申請(qǐng)專利主要包括新合金制備、工藝開(kāi)發(fā)和深加工與應(yīng)用技術(shù)。表1列出了國(guó)內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)數(shù)量前20的申請(qǐng)人。

表1 國(guó)內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)專利數(shù)排名前20的申請(qǐng)人＊

2.1 北京航空材料研究院

作為我國(guó)航空領(lǐng)域材料研制及應(yīng)用評(píng)價(jià)的大型研究結(jié)構(gòu)，北京航空材料研究院在鋁鋰合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面擁有21 件發(fā)明專利，內(nèi)容涉及高性能鋁鋰合金設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，擠壓、軋制、鍛造及熱處理各種工藝，表面處理、焊接、成型應(yīng)用技術(shù)等，已成為我國(guó)鋁鋰合金材料和應(yīng)用創(chuàng)新的主要基地。

2.2 西南鋁

西南鋁是國(guó)內(nèi)目前唯一具有鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和批量供應(yīng)能力的企業(yè)，擁有15 項(xiàng)鋁鋰合金專利（10 項(xiàng)發(fā)明專利、5 項(xiàng)實(shí)用新型專利）。專利內(nèi)容涵蓋了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中熔體的測(cè)溫、除氫、轉(zhuǎn)移、冷卻及后續(xù)的鍛造、軋制等加工環(huán)節(jié)以及相關(guān)的分析檢測(cè)技術(shù)。西南鋁的鋁鋰合金專利涵蓋了鋁鋰合金研發(fā)、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并包括了一些鋁鋰合金專用生產(chǎn)裝置的實(shí)用新型專利，說(shuō)明西南鋁作為我國(guó)鋁鋰合金產(chǎn)業(yè)化的核心基地，具備了鋁鋰合金材料自主保供的能力。

2.3 江蘇豪然噴射成形合金有限公司

該公司于2008年6月成立于江蘇鎮(zhèn)江，是一家專注于噴射成形規(guī)模化應(yīng)用的民營(yíng)企業(yè)。目前擁有6項(xiàng)鋁鋰合金專利（3項(xiàng)發(fā)明專利、3項(xiàng)實(shí)用新型專利），專利內(nèi)容主要為鋁鋰合金噴射成形工藝及相關(guān)的裝備設(shè)計(jì)。該公司對(duì)鋁鋰合金材料設(shè)計(jì)方面的能力較弱，只是針對(duì)目前現(xiàn)有鋁鋰合金成分進(jìn)行噴射成形工藝的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

2.4 相關(guān)高校

上海交通大學(xué)、中南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)以及北京工業(yè)大學(xué)等高校均在開(kāi)展鋁鋰合金的相關(guān)研究，但每個(gè)高校的研究方向有所不同，如：上海交大主要專注于鑄造鋁鋰合金和鋁鋰合金的銑削加工；中南大學(xué)主要研究細(xì)晶鋁鋰合金及超塑性成形；哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要研究鋁鋰合金焊接；東北大學(xué)主要研究采用熔鹽電解方法直接生產(chǎn)鋁鋰合金；北京工業(yè)大學(xué)則主要關(guān)注含餌的鋁鋰合金。

2.5 國(guó)外鋁加工企業(yè)

國(guó)外鋁加工企業(yè)如肯聯(lián)鋁業(yè)、愛(ài)勵(lì)鋁業(yè)、加鋁集團(tuán)、美鋁公司、諾貝麗斯等自2010年開(kāi)始就在中國(guó)布局鋁鋰合金的相關(guān)專利，且其授權(quán)專利全部為PCT國(guó)際專利。內(nèi)容涉及鋁鋰合金設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方法、循環(huán)回收等多個(gè)方面（具體如表2 所示）。我國(guó)鋁鋰合金開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和開(kāi)發(fā)人員應(yīng)高度關(guān)注國(guó)外鋁加工企業(yè)在國(guó)內(nèi)的鋁鋰合金專利和授權(quán)情況，注重自身鋁鋰合金相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，以保障我國(guó)鋁鋰合金研發(fā)和生產(chǎn)的自主可控。

表2 國(guó)外鋁加工企業(yè)申請(qǐng)的材料制備及熱處理類專利情況

3 近幾年專利申請(qǐng)主要方向

近五年來(lái)，鋁鋰合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開(kāi)發(fā)類專利的主要申報(bào)方向包括高強(qiáng)高韌鋁鋰合金成分設(shè)計(jì)、鋁鋰合金熱處理工藝、鑄造鋁鋰合金、纖維或顆粒增強(qiáng)鋁鋰合金復(fù)合材料以及鋁鋰合金坯錠制備方法等。

3.1 高強(qiáng)高韌鋁鋰合金成分設(shè)計(jì)

鋁鋰合金主要以Al-Cu-Mg-Li 系、Al-Cu-Li系、Al-Mg系為主。近年來(lái)，隨著對(duì)鋁鋰合金微觀組織和強(qiáng)化機(jī)理研究的深入，鋁鋰合金成分設(shè)計(jì)主要向低鋰及添加微合金化方向發(fā)展。

目前正在研究的最新一代鋁鋰合金的鋰含量已降至1%或更低。國(guó)內(nèi)低鋰含量鋁鋰合金的授權(quán)專利主要有西南鋁的“一種鋁鋰合金及其制備方法”（0.6～0.9Li（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同））、北京航空材料研究院的“一種鋁鋰合金及鍛造方法”（0.6～1.5Li）、美鋁公司的“2 ××× 系列鋁鋰合金”（0.65～1.15Li）以及肯聯(lián)鋁業(yè)的“用于飛機(jī)機(jī)身的高韌度的鋁-銅-鋰合金板材”（0.8～1.4Li）。整體來(lái)看國(guó)外的鋁加工企業(yè)在中國(guó)申請(qǐng)的鋁鋰合金專利含鋰量均較低，說(shuō)明其很早即開(kāi)始最新一代鋁鋰合金的相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)低鋰含量鋁鋰合金的授權(quán)專利相對(duì)較少。

成分設(shè)計(jì)的另一方向是添加微合金元素，包括Sr、Zr 及Er、Sc、Ce、La 等稀土元素。鄭州輕研合金科技有限公司2018年申請(qǐng)的“一種高強(qiáng)高韌鋁鋰合金及其制備方法”，其合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同）為L(zhǎng)i 1.6～2.3、Cu 2.9～3.8、Mg 0.15～0.60、Co 0.18～0.35、Sr 0.05～0.25、Y 0.09～0.18、Zr 0.06～0.12，余量為鋁；其中Cu與Li的質(zhì)量比控制在1.3～2.0。中南大學(xué)2019 申請(qǐng)的“一種超高強(qiáng)鋁鋰合金及其制備方法”中合金成分為Cu 4.3～5.2、 Li 0.8～1.2、 Mg 0.3～0.7、 Ag 0.1～0.5、 Zn 0.81～1.5、Mn 0.1～0.2、Zr 0.1～0.2、Sc 0.09～0.3，余量為Al；其中Cu/Li 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為4.3～6.5。上海交通大學(xué)2019年申請(qǐng)的“一種復(fù)合添加多種稀土元素的高強(qiáng)韌性變形鋁鋰合金及其制備方法”中的 合 金成 分 為L(zhǎng)i 0.8～3.0、Cu 3.0～6.0、Mg 0.2～3.0、Zn 0.2～1.5、Zr 0.1～0.15、Gd 0.1～1.0、Nd 0.1～1.0，Yb 0.1～1.0，余量為Al。復(fù)合添加稀土元素Gd、Nd 及Yb 可起到細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化以及固溶強(qiáng)化等多重效果，使合金的強(qiáng)度和韌性均得到改善，制得的鋁鋰合金顯微組織均勻、具有更優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性。

3.2 鋁鋰合金熱處理工藝

為綜合調(diào)控鋁鋰合金的強(qiáng)韌性、應(yīng)力腐蝕性能等，通常采用多級(jí)均勻化、多級(jí)固溶、形變熱處理、深冷處理、多級(jí)時(shí)效等工藝，以改變鋁鋰合金的微觀組織，達(dá)到性能調(diào)控的目的。如北京航空材料研究院2016年申請(qǐng)的專利“一種改善鋁鋰合金抗應(yīng)力腐蝕性能的方法”將產(chǎn)品進(jìn)行退火處理后，進(jìn)行一定變形量的冷變形，然后再進(jìn)行固溶淬火。通過(guò)該方式可以實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶程度及晶界析出相的調(diào)控，使合金在其他力學(xué)性能保持不變的同時(shí)，提高其抗應(yīng)力腐蝕性能。

3.3 鑄造鋁鋰合金

近年來(lái)，上海交通大學(xué)主要在鑄造鋁鋰合金方面開(kāi)展了大量研究工作，并形成了一些專利成果。申請(qǐng)專利保護(hù)的合金體系包括Al-Li-Cu-Mg、Al-Li-Cu-Mg-Ag、Al-Li-Cu-Mg-Zr-Sc、Al-Li-Zn-Re等，同時(shí)對(duì)上述合金的精煉及熱處理等工藝進(jìn)行了專利保護(hù)。

3.4 纖維或顆粒增強(qiáng)鋁鋰合金復(fù)合材料

河南科技大學(xué)2014年申請(qǐng)了“一種碳纖維增強(qiáng)鋁鋰合金復(fù)合材料及其制備方法”的專利。該專利披露了一種通過(guò)調(diào)控鍍銅碳纖維的體積分?jǐn)?shù)降低鋁鋰合金的密度，提升鋁鋰合金的強(qiáng)度、韌性并改善其各向異性的方法。在力學(xué)性能接近的情況下，所涉合金的密度比普通鋁鋰合金減輕5%以上。蘇州列治埃盟新材料技術(shù)轉(zhuǎn)移有限公司申請(qǐng)了“一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法”的專利，該方法通過(guò)向鋁鋰合金中添加納米碳化硅顆粒來(lái)降低合金的各向異性。

3.5 新型制備方法

傳統(tǒng)的鋁鋰合金一般采用真空或惰性氣體保護(hù)熔煉和鑄造方式生產(chǎn)坯錠，但易產(chǎn)生成分偏析、化合物粗大等問(wèn)題[10]。近年來(lái)，江蘇豪然申請(qǐng)了多個(gè)噴射成形制備鋁鋰合金坯錠的方法和裝置，由于冷卻速度快，可以增加合金元素在基體中的固溶度、減少成分偏析、細(xì)化晶粒組織。中南大學(xué)2019年申請(qǐng)了“一種3D 打印鋁鋰合金、其制備方法及其零件打印方法”，所打印的合金樣品表面光滑、無(wú)明顯裂紋，致密度高，抗拉強(qiáng)度558 MPa，屈服強(qiáng)度496 MPa，延伸率為11%。

目前傳統(tǒng)鋁鋰合金熔煉中鋰的添加方式是直接向鋁合金熔體中添加高純金屬鋰，這種添加方式較難控制鋰的燒損，且易造成成分偏析[10]。東北大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所均申請(qǐng)了利用熔鹽電解法直接制備鋁鋰母合金的專利。使用鋁鋰母合金與純鋁進(jìn)行熔煉，即可得到所需成分的鋁鋰合金，這種方法可大大減少鋰的氧化燒損。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，我國(guó)已基本形成了相對(duì)完善的“產(chǎn)-學(xué)-研-用”鋁鋰合金自主創(chuàng)新體系，專利類型覆蓋了鋁鋰合金研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)，創(chuàng)新主體包括鋁加工企業(yè)、高校及各類研究院所。但我國(guó)鋁鋰合金的國(guó)際專利較少，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力較弱，與國(guó)外企業(yè)相比尚有較大差距。國(guó)外鋁加工企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在我國(guó)進(jìn)行專利布局，我國(guó)鋁鋰合金研發(fā)機(jī)構(gòu)和人員應(yīng)高度關(guān)注國(guó)內(nèi)外鋁鋰合金研發(fā)進(jìn)展，注重自身鋁鋰合金相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，以保障我國(guó)鋁鋰合金研發(fā)和生產(chǎn)的自主可控。