基于專利分析的中國鋁鋰合金創(chuàng)新態(tài)勢研究

張 琪，張慶東，葉鵬程，任小靈

（中國鋁業(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)展大致可分為三個階段：第一代以美國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Alcoa 公司的2090 合金、加拿大Alcan 公司的8090和8091 合金、法國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，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)品已在我國航空航天及國防軍工領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

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

1 中國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年以前國內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)專利相對較少；2011-2015年國內(nèi)鋁鋰合金專利每年的專利授權(quán)數(shù)量均比較穩(wěn)定；近四年來國內(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，說明越來越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注該領(lǐng)域的相關(guān)研究。

圖1 國內(nèi)鋁鋰合金專利按年度授權(quán)情況

按照專利申請保護(hù)的內(nèi)容分類，可以將國內(nèi)鋁鋰合金的專利分為新合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開發(fā)、深加工與應(yīng)用技術(shù)、相關(guān)輔助裝備三個大類。其中，新合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開發(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)而開展的裝置設(shè)計(jì)和模具開發(fā)等，以實(shí)用新型專利為主。具體分布情況見圖2。

圖2 國內(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，專利類型覆蓋了鋁鋰合金研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用各個環(huán)節(jié)。由此可以看出，目前我國已基本形成相對完善的鋁鋰合金專利體系。

2 專利申請人

國內(nèi)鋁鋰合金的專利申請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（以下簡稱江蘇豪然）、肯聯(lián)鋁業(yè)等，申請的專利主要包括新合金制備及工藝開發(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，申請的專利主要為新合金制備和工藝開發(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，申請專利主要包括新合金制備、工藝開發(fā)和深加工與應(yīng)用技術(shù)。表1列出了國內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)數(shù)量前20的申請人。

表1 國內(nèi)鋁鋰合金授權(quán)專利數(shù)排名前20的申請人＊

2.1 北京航空材料研究院

作為我國航空領(lǐng)域材料研制及應(yīng)用評價的大型研究結(jié)構(gòu)，北京航空材料研究院在鋁鋰合金開發(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)品開發(fā)、生產(chǎn)過程中熔體的測溫、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，說明西南鋁作為我國鋁鋰合金產(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)。該公司對鋁鋰合金材料設(shè)計(jì)方面的能力較弱，只是針對目前現(xiàn)有鋁鋰合金成分進(jìn)行噴射成形工藝的開發(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)等高校均在開展鋁鋰合金的相關(guān)研究，但每個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 國外鋁加工企業(yè)

國外鋁加工企業(yè)如肯聯(lián)鋁業(yè)、愛勵鋁業(yè)、加鋁集團(tuán)、美鋁公司、諾貝麗斯等自2010年開始就在中國布局鋁鋰合金的相關(guān)專利，且其授權(quán)專利全部為PCT國際專利。內(nèi)容涉及鋁鋰合金設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方法、循環(huán)回收等多個方面（具體如表2 所示）。我國鋁鋰合金開發(fā)機(jī)構(gòu)和開發(fā)人員應(yīng)高度關(guān)注國外鋁加工企業(yè)在國內(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)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，以保障我國鋁鋰合金研發(fā)和生產(chǎn)的自主可控。

表2 國外鋁加工企業(yè)申請的材料制備及熱處理類專利情況

3 近幾年專利申請主要方向

近五年來，鋁鋰合金設(shè)計(jì)與相關(guān)工藝開發(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，隨著對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）。整體來看國外的鋁加工企業(yè)在中國申請的鋁鋰合金專利含鋰量均較低，說明其很早即開始最新一代鋁鋰合金的相關(guān)研究。國內(nèi)低鋰含量鋁鋰合金的授權(quán)專利相對較少。

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Li 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Li 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，通常采用多級均勻化、多級固溶、形變熱處理、深冷處理、多級時效等工藝，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，提高其抗應(yīng)力腐蝕性能。

3.3 鑄造鋁鋰合金

近年來，上海交通大學(xué)主要在鑄造鋁鋰合金方面開展了大量研究工作，并形成了一些專利成果。申請專利保護(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，同時對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，該方法通過向鋁鋰合金中添加納米碳化硅顆粒來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、化合物粗大等問題[10]。近年來，江蘇豪然申請了多個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)、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所均申請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

經(jīng)過40年的發(fā)展，我國已基本形成了相對完善的“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。但我國鋁鋰合金的國際專利較少，國際競爭力較弱，與國外企業(yè)相比尚有較大差距。國外鋁加工企業(yè)已經(jīng)開始在我國進(jìn)行專利布局，我國鋁鋰合金研發(fā)機(jī)構(gòu)和人員應(yīng)高度關(guān)注國內(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)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，以保障我國鋁鋰合金研發(fā)和生產(chǎn)的自主可控。