深度塑性变形之挤压专利技术综述

张 燕

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

1 概述

金属塑性变形将有利于减小其内部的晶粒尺寸，而且塑性应变越大时效果越明显，近几十年来发展了一类新的变形工艺，即深度塑性变形（severe plastic deformation，SPD）技术，SPD技术具有强烈的晶粒细化能力，可以将材料内部组织细化到亚微米级乃至纳米级，国际材料学界公认为制备超细晶材料最有前途的方法之一，已成功用于制备纯金属、合金、金属基复合材料等细晶材料。由于可以制备纯净、致密的块体超细晶材料，SPD技术在近十几年快速发展，应用前景广泛，从1999年开始每隔3年都要召开SPD技术国际年会以交流和报道该技术的最新进展。

根据不同的变形方式，深度塑性变形技术包括高压扭转（High-pressure Torsion，HPT）、等通道转角挤压（Equal-channel Angular Extrusion/Pressing，ECAP/ECAE）、循环挤压或往复挤 压（Cyclic Extrusion Compression，CEC）、扭 曲 挤 压（Twist extrusion，TE）等。

在深度塑性变形之挤压的专利申请中，按照申请量从多到少依次为：转角挤压、扭曲挤压、往复挤压、摩擦挤压，其中，转角挤压的申请量最为突出，占总申请量的74%，这主要是由于转角挤压的适用范围广，结构简单，对其进行的研究和改进的普适性强，其包括等径角挤压、非等径角挤压，等径角挤压还包括多向等径角挤压、多路等径角挤压以及连续等径角挤压等。摩擦挤压最少，这主要是由于摩擦挤压需要较高的压力和转矩，对设备的要求较高，普适性较差，另外，摩擦挤压制备的块体材料较小，无法满足实际生产需要。

2 技术发展整体概况

2.1 专利申请概况

图1示出了深度塑性变形之挤压技术国内外专利申请趋势对比，从图中可以看出，深度塑性变形技术在20世纪初并未出现，直到1943年BUDD WHEEL CO申请了第一例深度塑性变形的挤压工艺，在此之后，国外申请量一直较少，直到20世纪90年代才逐渐兴起，在21世纪初的几年内达到申请高峰，随后申请量逐渐降低，可见在国外该技术逐渐不被重视；在中国，由于中国的专利法实施时间较晚，且国内技术与国外相比，发展较晚，直到20世纪90年代才开始出现该技术，21世纪迅速发展，在2010之后，该项技术在中国申请量远超过国外，在2016年申请量达到最高峰。

图1 深度塑性变形之挤压技术国内外专利申请趋势对比

2.2 国外专利申请情况

图2 国外申请各国的申请量分布

图2 示出了国外申请各国的申请量分布，其中，JP代表日本，US代表美国，KR代表韩国，RU代表俄罗斯联邦。从图中可以看出，国外的专利申请中，日本的申请最多，其次的美国、韩国，可见日本在深度塑性变形的挤压技术中占了很重的分量，实际上，日本在金属加工领域的各种技术基本均处于领先地位，因此，日本的申请量最大。其次，美国、韩国的申请也较多，从侧面反映出美国、韩国的金属制造业注重提高材料的性能。另外，出现了一些申请量很小的国家。

图3 各个时期主要申请国的申请量对比图

深度塑性变形之挤压技术国外专利申请趋势，大致可分为四个时期。图3示出了各个时期主要申请过的申请量。

（1）萌芽期（1993年之前），几十年间的申请分散，隔几年或者隔数十年才有申请，美国的技术发展处于绝对领先地位。

（2）平稳增长期（1994年～1999年），在这一时期，韩国的技术还没有兴起，日本的申请量最多，占到接近六成的比例，其次是美国，占到接近四分之一的比例，其他国家的申请较少。这主要是因为日、美均为工业技术发达国家，对挤压理论的研究实力雄厚，在金属加工领域的技术始终处于领先地位，且日、美的工业发展对材料的性能的要求高，促使两国的研究人员不断改进工艺提高材料的性能。

（3）快速增长期（2000年～2006年），关于深度塑性变形挤压技术的申请数量如雨后春笋一般快速增长，可谓是该技术发展的黄金时期。这主要是由于在该时期，一些发达国家的工业技术非常发达，同时其他后起的国家的技术力量也相当雄厚，很多国家对该技术的改进和研究也日趋增多，在这一时期，韩国的技术迅速兴起，跃居到第二位，日本的申请量仍旧最多，申请量达到了40%，其次是韩国，申请量达到了21%，然后是美国，申请量占了15%，其他国家的申请较少。这一时期，韩国的深度塑性变形之挤压技术迅速发展，可见韩国对材料的性能的要求提高。随着汽车行业的迅速发展，日、韩、美作为汽车生产大国，在深度塑性变形方面的技术也随之发展，申请量也迅速发展，其他国家也开始提出申请，但申请量较小。

（4）成熟期（2007年至今），在申请量迅速增长之后，深度塑性变形挤压技术的专利申请量达到了稳定，相关技术的发展也到了成熟期，在该时期，人们对挤压技术进行多方面的尝试和进一步优化，同时注重了对具体材料的挤压加工的优化，以及采用挤压方法生产具体的产品。这一时期申请的国家多，各个国家都在该技术领域进行申请，说明各国都在注重材料性能的提高。这一时期，俄罗斯的申请居多，占总量的27%，其次的韩国、日本、美国，这一时期，日本、美国的申请的比重有所降低，这可能是由于前一时期申请高峰过后，该技术在日、美发展成熟，申请量呈降低的趋势。

2.3 国内专利申请情况

图4示出了关于深度塑性变形的挤压技术的中国专利申请趋势，从该图可以看出，国内的深度塑性变形的挤压技术的专利申请起步较晚，2000年以后才开始有关该技术的专利申请，从2000年申请大致可以分为两个时期，第一时期为2000年～2012年，第二时期为2013年至今。前期的申请较少，在国外申请量急剧增长的时期，国内的申请很少，国外申请量减少的时期，国内的申请迅速增长，总体呈现增长的趋势，这主要是因为国外的金属制造业水平较为先进，在国外兴起的金属成形技术，在国外的发展往往较晚，主要由高校以及研究院所进行研究，并进行专利申请，实际的工业应用较少。另外一方面是国内对知识产权的保护意识增强，国家对专利的普及与推广，对知识产权的保护进行大力支持，导致申请量增长明显。

图4 深度塑性变形之挤压技术在中国的专利申请趋势

在采用深度塑性变形挤压领域申请量较大的几乎全为高校申请，企业申请较少，排名靠前的申请人中没有个人申请，主要是因为该领域的技术由国外传到国内，大多处于研究阶段，应用于生产的较少。

申请量较大的申请人中，基本为高校申请，其主要针对多种深度塑性变形的挤压工艺进行组合、改进，以获得超细晶产品，提高产品的性能，另一方面，高校申请善于将新兴技术与已有的技术相结合，例如，将超声振动、电致塑性与挤压技术结合，以进一步细化晶粒，提高材料性能。另外，高校申请有一个特点，针对某一方面的发明，专利申请经常为一系列的相关申请，这也是导致高校申请数量较多的原因之一。

3 总结

从国外深度塑性变形之挤压的专利技术发展来看，该技术领域的技术已经趋于成熟，申请量逐渐减少，国内该技术领域的发展起步较晚，在21世纪才迅速发展。由于国外的相应技术发展已经非常成熟，因此，国内申请人应当多借鉴国外的各种先进技术，在国外技术的基础上加强自主研发以进一步细化晶粒，尤其对于难于细化晶粒的材质，提高生产效率以及材料的性能，另外还可以在挤压参数、具体工艺方面进一步优化。