高温合金增材制造关键技术专利分析_祁恒.pdf

中国军转民54研究与探讨DISCOVERY前言高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在 600以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金增材制造技术在航空航天与地面车辆动力系统等领域具有广阔的应用前景1,2。本文重点关注的高温合金增材制造关键技术主要包括特别适用于航空航天与地面车辆动力系统关键热端部件生产与修复的高温合金激光增材制造技术、高温合金电子束增材制造技术、高温合金等离子体增材制造技术，以及适合各类型高能束的通用增材制造技术等四个领域3。其中，激光增材制造技术主要包括激光选区处理技术和激光直接成型技术。激光选区处理技术进一步包括激光选区烧结技术和激光选区熔化技术。电子束增材制造技术与等离子体增材制造技术，与激光增材制造技术的区别主要在于高能束流的类型不同，使用电子束和等离子体作为金属粉末烧结和熔化的热源。电子束增材制造技术主要包括电子束选区处理技术和电子束直接成型技术；等离子体增材制造技术主要包括等离子体选区处理技术和等离子体直接成型技术。1 检索策略本文采用 incoPat 全球专利数据库进行国内外相关专利的检索。通过对高温合金增材制造关键技术中所涉及的堆积成型技术进行技术分解，构建技术谱系并形成技术分解表（表 1），由此确定并扩展每项技术分支的关键词，建立关键技术分解词表，以技术分解词表中的关键词作为主要检索要素，结合各技术分支所对应的 IPC 分类号，分别构建涉及“高温合金”和“增材制造”的检索式。涉及“高温合金”内容的检索式如下：TIABC=(高温合金 or 超合金 or 超级合金 or 热强合金 or 耐热合金 or 镍基合金 or 镍合金 or 钴基合金 or 钴合金 or 铁 基 合 金 or 铁 合 金 or 铬 基 合金 or 铬 合 金 orhightemperaturealloy?orsuperalloy?orNickel1walloy?orCobalt1walloy?oriron1walloy?orChromium1w alloy?)ORIPC-LOW=(C22C19/00orC22C38/00)。涉及“增材制造”内容的检索式如下：TIABC=(增材制造 or3D 打印 or3 维打印 or 三维打印 or 快速原型 or 快速原形 or 快速成型 or 快速成形 or 快速制造 or 直接成型 or 直接成形 or 直接制造 or 自由成型 or 自由成形 or 自由制造 or(高能束 or 激光 or 镭射 or 电子束 or 电流 or 等离子 or 电浆)3n(烧结 or 熔化 or 熔覆 or 包覆 or 熔敷 or沉积 or 淀积 or 成型 or 成形 or 制造)or 净成型 or 净成形 or 近型制造 or 近形制造 or 立体成型 or 立体成形 or 直接光学制造 or 直接金属沉积 or 金属直接 沉 积 orAdditive1wManufacturingor3D1wprintingorRapid1wPrototyp*or(power1wbeamorlaserorelectron1wbeamorplasma)1n(sinteringormeltingorcladdingordepositionorform*orfabricat*orshap*)orNetShapingorDirectedLightFabricationorDirectMetalDepositionorSolidFreeformFabricat*)ORIPC-LOW=(B33YorB22F3/105orB22F5/00)。将两个检索式进行“与”操作，在国内外专利申请的标题、摘要、权利要求和 IPC 分类号等字段进行检索。通过删除明显无关的专利申请后，得到本文所要分析的国内外专利申请样本。为了高温合金增材制造关键技术专利分析祁恒 辛海明 张子鹏 王立东 刘瑞东 常菲摘要：高温合金增材制造技术在航空航天与地面车辆动力系统等领域具有广阔的应用前景。本文通过检索分析高温合金增材制造关键技术国内外相关专利，分析主要研究方向与技术手段，梳理技术发展脉络和发展趋势，为我国相关技术发展提供参考。关键词：高温合金；增材制造；专利分析 55研究与探讨DISCOVERY分析申请人在不同国家、地区所提出的专利申请的分布情况，将同族专利申请分开进行统计，并基于上述样本进行分析。2 专利态势分析（1）专利申请趋势分析全球与高温合金增材制造关键技术相关的专利申请量的历年分布情况，如图 1 所示。全球涉及高温合金增材制造关键技术的研究从2012年起迅速发展，并且在 2018 年至 2020 年达到顶峰，而且近两年的研究依然保持很高的关注度。（2）专利申请地域分布分析全球主要专利申请国或地区的分布情况，如图 2 所示。其中，在中国、日本和美国的专利申请数量排在前三位，分别占全球专利申请总量的 41.1%、23.5%和 11.4%。其中，高温合金增材制造技术在中国的技术创新最为活跃，已经成为主要的技术创新来源国和重要的目标市场，这主要得益于我国政府对于增材制造技术的重视程度不断提高。（3）专利申请技术分布分析全球专利申请的主要 IPC 分布情况，如图 3 所示。其中，涉及 B22F5、一级二级三级四级高温合金增材制造激光增材制造激光选区处理激光选区烧结激光选区熔化激光直接成型激光近净成型、激光立体成型、激光熔覆、激光直接制造、激光熔化沉积电子束增材制造电子束选区处理电子束选区烧结电子束选区熔化电子束直接成型子束直接制造、电子束实体自由制造、电子束熔丝沉积等离子体增材制造等离子体选区处理等离子体选区烧结等离子体选区熔化等离子体直接成型等离子体直接制造、等离子体熔覆、快速等离子体沉积表1高温合金增材制造关键技术谱系图1 全球专利申请量历年分布图2 全球主要专利申请地域分布中国军转民56研究与探讨DISCOVERYB22F3、C22C38 三类 IPC 技术方向的专利申请数量最多，体现出上述技术分支的创新热度最高。此外，涉及 B22F1、C22C33、B33Y10、C22C19 等技术方向的创新也相对活跃。（4）主要创新主体分析全球主要专利申请人排名情况，如图 4 所示。其中，三菱公司、日立公司和通用电气公司的专利申请量排在前三位，在高温合金增材制造关键技术领域占有明显技术优势，属于主要创新主体和我国企业的主要竞争对手。虽然中国专利申请数量排在世界第一位，但是仅有中南大学的专利申请量进入了前十名，反映出国内高温合金增材制造各种关键技术分别掌握在不同申请人手中，没有占据明显技术优势的创新主体。（5）中国主要创新主体分析中国主要专利申请人排名情况，如图 5 所示。其中，中国主要专利申请人的专利申请量均较少，没有拥有明显技术优势的申请人。排名前列的申请人中，大部分为高等院校和科研院所，仅有少部分企业，该现象反映出中国在高温合金增材制造关键技术领域的研究仍主要集中实验与理论研究，尚未开展较大规模应用研究及转化运用。3 专利技术功效分析通过对专利样本进行技术功效分析后，高温合金增材制造关键技术的研究方向主要包括：如何提高增材制造用粉末性能，以及如何提高增材制造成型件质量。（1）粉末性能提高技术粉末材料的性能优劣是增材制造技术能否顺利实现的基础，粒度、球形度和表面状态等均为增材制造技术中需要提高的粉末关键参数。通过技术功效分析可见，目前专利申请所要解决的问题主要集中在如何控制粉末球形度、粒径图3 全球专利申请主要IPC分布图4 全球主要专利申请人排名图5 中国主要专利申请人排名57研究与探讨DISCOVERY与分布，以及如何提高粉末分散性和流动性两个方面。控制粉末球形度、粒径与分布主要技术手段包括：对粉末进行高速水雾化处理；对粉末进行射频等离子体球化；采用超声振动与气流分级；将熔炼液体在过热度下雾化；将粉末进行快速冷却；优化感应熔炼气雾化参数；雾化制粉过程中引入纳米增强颗粒；采用高压惰性气体雾化与真空中频感应熔炼结合；实时监控制粉过程；采用等离子旋转电极法制备球形粉末；采用超音速电弧雾化方法制备合金粉末；将金属粉末在颗粒间摩擦揉搓研磨；采用等离子辅助旋转电极离心工艺制备粉末等。提高粉末分散性与流动性主要技术手段包括：金属颗粒亚微米处理；对粉末进行加热和烧结去除粘合剂；利用气流带动粉末相互摩擦碰撞等。（2）增材制造成型件质量提高技术通过增材制造技术获得的成型件，其质量优劣决定其能否得到实际应用，如何提高成型件质量成为重点研究方向。通过技术功效分析可见，目前专利申请所要解决的问题主要集中在如何减少成型件开裂，如何提高成型件机械性能与力学性能，如何提高成型件组织均匀度、改善微观结构与表面质量，如何提高层间结合力、防止成型件变形，如何制造复杂结构成型件，如何提高制造效率，如何提高成型件使用时冷却效率，如何控制增材制造成型过程中粉末行为，以及如何监测成型过程等方面。减少成型件开裂主要技术手段包括：粉末中添加石墨、负热膨胀系数物质、熔点降低材料、稀土元素、焊料、Hf、B、ZrO2 等；控制粉末尺寸和形貌；控制粉末中微量元素；控制粉末中硫和氮成分；控制形成低熔点共晶元素量；控制熔覆层硬质相与韧性相比例；在基底上应用粉末状焊剂材料；采用不同高温合金材料交替排布；对每层晶粒度进行梯度变化；形成包括枝晶结构的中间合金；控制高能束扫描间距；对不同加工区域进行分区扫描；控制激光路径；采用 TIG 电弧、电磁感应同步预热；对工作面进行修复及真空去应力热处理等。提高成型件机械性能与力学性能成型件机械性能与力学性能主要包括强度、硬度、密度、抗高温氧化性、抗热疲劳性、抗热腐蚀性等。主要技术手段包括：粉末中添加石墨、增强弥散剂、SiC 粉、铝粉和钛粉等；控制不同粉末的比例与粒径；不同加工区域混合不同种类粉末；提高粉末中碳含量；将镍基合金与增强合金混合；低熔点材料表面覆盖高熔点材料；控制固化层与基板之间硬度差；增加抗高温氧化层；进行晶粒定向控制；每层成型后去除其中等轴区域，获得定向凝固晶体结构；逐层铺设纤维；原位叠层熔覆强化复合涂层；对成型层进行滚轧；进行枝晶外延生长；控制粉末流实现定向凝固；成型过程中增加熔池中铝元素浓度；控制晶体各取向生长速度；控制熔池温度梯度和固化速率，制备单晶微结构；控制层内 相体积；对复合材料层进行增韧处理；使用不同激光束分别形成熔化区及过渡区；将石墨烯和 Ti3SiC2 原位复合在 Ni3Al 基体中；将基体混合超细粉末喷射到熔池中，形成熔覆层；单晶基材上外延生长枝晶组织，消除再结晶倾向；使用激光密封去除缺陷形成通孔；在金属粘接层表面喷涂热障层；利用激光对熔化沉积层进行熔化处理生成复合强化层；使沉积粉末材料局部熔融和再凝固；采用混合粉末形成粗大组织下层，然后加入 Cu 粉形成致密组织上层；成型过程中加入增强材料及超细难熔金属粉末，成型后定向凝固再结晶；提高成型件热处理加热速率；在成型过程多个阶段去除有机物，抑制有机物残留导致的性能降低；成型过程中调节激光能量密度；使用多光束进行多路径扫描，提高熔融效果，降低残余应力；控制不同区域工艺参数；使用不同直径激光束进行重熔；调整粉末进料方向；成型过程中控制惰性气体流量；将衬底加热到低于熔点温度；成型过程中保持反应室高压状态；成型过程在氮气氛围进行，确保成型件不与热等静压介质接触；控制成型过程中熔池散热方向；采用多料斗不连续送粉；注射成型与微滴喷射自由成型相结合；限制成型件冷却速度；预热初始层上铺设粉末层；通过感应线圈对丝材进行加热熔化；引入电磁场辅助装置对快速凝固过程进行控制；将金属粉末在激光作用下熔化，并在电磁场作用下凝固；使用辅助热源调节熔池温度；毛坯成型后通过电磁场双约束诱导区域熔炼进行定向凝固再结晶；增材制造送粉、超声微送粉和激光熔化相结合，在成型件中生成特定功能组织；采用连续激光熔覆与脉冲激光锻打复合加工；通过长时间均匀化热处理消除枝晶组织和偏析，避免高熔点析出相形成的异型粉末；使用不可压缩流体去除成型件