基于专利分析的中国铝锂合金创新态势研究

张 琪，张庆东，叶鹏程，任小灵

（中国铝业集团有限公司铝加工事业部，北京100082）

0 前言

铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度及比刚度的合金，在航空航天领域具有广阔的应用前景。采用铝锂合金替代传统铝合金结构材料可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是21世纪航空航天最理想的结构材料[1-3]。

铝锂合金的研究和开发至今已有80 多年历史，其研究历程和发展大致可分为三个阶段：第一代以美国Alcoa公司的2020合金、前苏联的BДA23合金为代表[4]；第二代以前苏联的1420合金、美国Alcoa 公司的2090 合金、加拿大Alcan 公司的8090和8091 合金、法国Pechiney 公司的2091 合金等为代表[5]；当前已发展到第三代铝锂合金。第三代铝锂合金在综合性能水平上较以往铝锂合金都有大幅度的提高，其中低各向异性铝锂合金和高强可焊铝锂合金是第三代铝锂合金的两大重要发展方向。新近开发和改良的1460、2198、2199、2050 等铝锂合金已在先进大型客机和航天器上得到广泛应用[6]。为满足航空航天工业的需要，很多大型企业和科研机构已经着手开发第四代铝锂合金。与第三代相比，新一代铝锂合金的锂含量将会降低（1%以下），在保证裂纹扩展速率、疲劳性能以及弹性模量等性能和前三代铝锂合金相当的同时，具有更高的静强度（尤其是屈服强度）、更高的断裂韧性、更优异的淬透性[7]。

我国铝锂合金的研究始于20 世纪80年代，虽然起步较晚，但发展较快，对铝锂合金成分设计、熔铸、加工工艺、热处理、成型、连接及表面处理等应用技术进行了全面、广泛的研究[8]。西南铝业（集团）有限公司（下称西南铝）具备了铝锂合金批量化生产的能力，产品已在我国航空航天及国防军工领域得到了应用。

在当代知识经济环境下，知识产权尤其是专利在全球市场竞争中扮演着越来越重要的角色。企业构建竞争优势的战略性关键要素正逐渐由传统竞争格局下的有形资产转向新竞争格局下的专利等无形资产[9]。我国研究者在开展铝锂合金各方面研究的同时，也申报了大量发明和实用新型专利，有效地保护了我国铝锂合金的知识产权。本文从专利角度对国内铝锂合金的研究和开发现状进行了分析，并提出了相关建议，以期为我国铝锂合金的技术创新和知识产权保护提供参考。

1 中国铝锂合金专利基本情况

截止到2020年4月底，共检索到与铝锂合金制备、加工及应用相关的有效授权专利181件，其中发明专利158项，实用新型专利23件。依照专利授权公告日将2020年之前的铝锂合金专利按授权年份作图（如图1所示）。从图1中可以看出，2011年以前国内铝锂合金授权专利相对较少；2011-2015年国内铝锂合金专利每年的专利授权数量均比较稳定；近四年来国内铝锂合金每年的专利授权数量相比之前有了大幅增长，说明越来越多的企业和研究机构开始关注该领域的相关研究。

图1 国内铝锂合金专利按年度授权情况

按照专利申请保护的内容分类，可以将国内铝锂合金的专利分为新合金设计与相关工艺开发、深加工与应用技术、相关辅助装备三个大类。其中，新合金设计与相关工艺开发类专利包括铝锂合金的不同成分设计、制备方法及后续热处理工艺，主要为发明专利；深加工与应用技术专利主要指用户根据实际需要对材料的进一步加工方法，具体可再细分为成型、连接、表面处理和机加工（包括机加工工艺及经由机加工制成的最终产品等）四个领域，发明专利和实用新型专利均有涉及；辅助装备类专利主要为辅助铝锂合金生产而开展的装置设计和模具开发等，以实用新型专利为主。具体分布情况见图2。

图2 国内有效授权铝锂合金专利按领域分布情况

从图2分布情况可见，专利类型覆盖了铝锂合金研发、生产及应用各个环节。由此可以看出，目前我国已基本形成相对完善的铝锂合金专利体系。

2 专利申请人

国内铝锂合金的专利申请人主要可以分为三类：一是铝加工生产企业，包括西南铝、江苏豪然喷射成形合金有限公司（以下简称江苏豪然）、肯联铝业等，申请的专利主要包括新合金制备及工艺开发和生产辅助设备等；二是非航空航天领域高校及研究机构，包括中南大学、上海交通大学、东北大学、北京有色金属研究总院、郑州有色金属研究院等，申请的专利主要为新合金制备和工艺开发；三是航空航天领域的高校、研究所及应用单位等，包括哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所、上海航天设备制造总厂等，申请专利主要包括新合金制备、工艺开发和深加工与应用技术。表1列出了国内铝锂合金授权数量前20的申请人。

表1 国内铝锂合金授权专利数排名前20的申请人＊

2.1 北京航空材料研究院

作为我国航空领域材料研制及应用评价的大型研究结构，北京航空材料研究院在铝锂合金开发和应用方面拥有21 件发明专利，内容涉及高性能铝锂合金设计与开发，挤压、轧制、锻造及热处理各种工艺，表面处理、焊接、成型应用技术等，已成为我国铝锂合金材料和应用创新的主要基地。

2.2 西南铝

西南铝是国内目前唯一具有铝锂合金产业化生产和批量供应能力的企业，拥有15 项铝锂合金专利（10 项发明专利、5 项实用新型专利）。专利内容涵盖了新产品开发、生产过程中熔体的测温、除氢、转移、冷却及后续的锻造、轧制等加工环节以及相关的分析检测技术。西南铝的铝锂合金专利涵盖了铝锂合金研发、生产的各个环节，并包括了一些铝锂合金专用生产装置的实用新型专利，说明西南铝作为我国铝锂合金产业化的核心基地，具备了铝锂合金材料自主保供的能力。

2.3 江苏豪然喷射成形合金有限公司

该公司于2008年6月成立于江苏镇江，是一家专注于喷射成形规模化应用的民营企业。目前拥有6项铝锂合金专利（3项发明专利、3项实用新型专利），专利内容主要为铝锂合金喷射成形工艺及相关的装备设计。该公司对铝锂合金材料设计方面的能力较弱，只是针对目前现有铝锂合金成分进行喷射成形工艺的开发和生产。

2.4 相关高校

上海交通大学、中南大学、哈尔滨工业大学、东北大学以及北京工业大学等高校均在开展铝锂合金的相关研究，但每个高校的研究方向有所不同，如：上海交大主要专注于铸造铝锂合金和铝锂合金的铣削加工；中南大学主要研究细晶铝锂合金及超塑性成形；哈尔滨工业大学主要研究铝锂合金焊接；东北大学主要研究采用熔盐电解方法直接生产铝锂合金；北京工业大学则主要关注含饵的铝锂合金。

2.5 国外铝加工企业

国外铝加工企业如肯联铝业、爱励铝业、加铝集团、美铝公司、诺贝丽斯等自2010年开始就在中国布局铝锂合金的相关专利，且其授权专利全部为PCT国际专利。内容涉及铝锂合金设计、生产方法、循环回收等多个方面（具体如表2 所示）。我国铝锂合金开发机构和开发人员应高度关注国外铝加工企业在国内的铝锂合金专利和授权情况，注重自身铝锂合金相关技术的知识产权保护，以保障我国铝锂合金研发和生产的自主可控。

表2 国外铝加工企业申请的材料制备及热处理类专利情况

3 近几年专利申请主要方向

近五年来，铝锂合金设计与相关工艺开发类专利的主要申报方向包括高强高韧铝锂合金成分设计、铝锂合金热处理工艺、铸造铝锂合金、纤维或颗粒增强铝锂合金复合材料以及铝锂合金坯锭制备方法等。

3.1 高强高韧铝锂合金成分设计

铝锂合金主要以Al-Cu-Mg-Li 系、Al-Cu-Li系、Al-Mg系为主。近年来，随着对铝锂合金微观组织和强化机理研究的深入，铝锂合金成分设计主要向低锂及添加微合金化方向发展。

目前正在研究的最新一代铝锂合金的锂含量已降至1%或更低。国内低锂含量铝锂合金的授权专利主要有西南铝的“一种铝锂合金及其制备方法”（0.6～0.9Li（质量分数/%，下同））、北京航空材料研究院的“一种铝锂合金及锻造方法”（0.6～1.5Li）、美铝公司的“2 ××× 系列铝锂合金”（0.65～1.15Li）以及肯联铝业的“用于飞机机身的高韧度的铝-铜-锂合金板材”（0.8～1.4Li）。整体来看国外的铝加工企业在中国申请的铝锂合金专利含锂量均较低，说明其很早即开始最新一代铝锂合金的相关研究。国内低锂含量铝锂合金的授权专利相对较少。

成分设计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。郑州轻研合金科技有限公司2018年申请的“一种高强高韧铝锂合金及其制备方法”，其合金成分（质量分数/%，下同）为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，余量为铝；其中Cu与Li的质量比控制在1.3～2.0。中南大学2019 申请的“一种超高强铝锂合金及其制备方法”中合金成分为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，余量为Al；其中Cu/Li 质量分数比为4.3～6.5。上海交通大学2019年申请的“一种复合添加多种稀土元素的高强韧性变形铝锂合金及其制备方法”中的 合 金成 分 为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，余量为Al。复合添加稀土元素Gd、Nd 及Yb 可起到细晶强化、析出强化、亚结构强化以及固溶强化等多重效果，使合金的强度和韧性均得到改善，制得的铝锂合金显微组织均匀、具有更优良的强度和韧性。

3.2 铝锂合金热处理工艺

为综合调控铝锂合金的强韧性、应力腐蚀性能等，通常采用多级均匀化、多级固溶、形变热处理、深冷处理、多级时效等工艺，以改变铝锂合金的微观组织，达到性能调控的目的。如北京航空材料研究院2016年申请的专利“一种改善铝锂合金抗应力腐蚀性能的方法”将产品进行退火处理后，进行一定变形量的冷变形，然后再进行固溶淬火。通过该方式可以实现再结晶程度及晶界析出相的调控，使合金在其他力学性能保持不变的同时，提高其抗应力腐蚀性能。

3.3 铸造铝锂合金

近年来，上海交通大学主要在铸造铝锂合金方面开展了大量研究工作，并形成了一些专利成果。申请专利保护的合金体系包括Al-Li-Cu-Mg、Al-Li-Cu-Mg-Ag、Al-Li-Cu-Mg-Zr-Sc、Al-Li-Zn-Re等，同时对上述合金的精炼及热处理等工艺进行了专利保护。

3.4 纤维或颗粒增强铝锂合金复合材料

河南科技大学2014年申请了“一种碳纤维增强铝锂合金复合材料及其制备方法”的专利。该专利披露了一种通过调控镀铜碳纤维的体积分数降低铝锂合金的密度，提升铝锂合金的强度、韧性并改善其各向异性的方法。在力学性能接近的情况下，所涉合金的密度比普通铝锂合金减轻5%以上。苏州列治埃盟新材料技术转移有限公司申请了“一种纳米颗粒改性铝锂合金材料及其制备方法”的专利，该方法通过向铝锂合金中添加纳米碳化硅颗粒来降低合金的各向异性。

3.5 新型制备方法

传统的铝锂合金一般采用真空或惰性气体保护熔炼和铸造方式生产坯锭，但易产生成分偏析、化合物粗大等问题[10]。近年来，江苏豪然申请了多个喷射成形制备铝锂合金坯锭的方法和装置，由于冷却速度快，可以增加合金元素在基体中的固溶度、减少成分偏析、细化晶粒组织。中南大学2019年申请了“一种3D 打印铝锂合金、其制备方法及其零件打印方法”，所打印的合金样品表面光滑、无明显裂纹，致密度高，抗拉强度558 MPa，屈服强度496 MPa，延伸率为11%。

目前传统铝锂合金熔炼中锂的添加方式是直接向铝合金熔体中添加高纯金属锂，这种添加方式较难控制锂的烧损，且易造成成分偏析[10]。东北大学、哈尔滨工程大学、中国科学院青海盐湖研究所均申请了利用熔盐电解法直接制备铝锂母合金的专利。使用铝锂母合金与纯铝进行熔炼，即可得到所需成分的铝锂合金，这种方法可大大减少锂的氧化烧损。

4 结束语

经过40年的发展，我国已基本形成了相对完善的“产-学-研-用”铝锂合金自主创新体系，专利类型覆盖了铝锂合金研发、生产及应用各个环节，创新主体包括铝加工企业、高校及各类研究院所。但我国铝锂合金的国际专利较少，国际竞争力较弱，与国外企业相比尚有较大差距。国外铝加工企业已经开始在我国进行专利布局，我国铝锂合金研发机构和人员应高度关注国内外铝锂合金研发进展，注重自身铝锂合金相关技术的知识产权保护，以保障我国铝锂合金研发和生产的自主可控。