釩鋁合金專利申請狀況分析

付 佳，唐志勇，杜驍勇，朱 寧

(國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190)

釩鋁合金專利申請狀況分析

付 佳，唐志勇，杜驍勇，朱 寧

(國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190)

從歷年專利申請量、主要申請人、技術生命周期、主要申請國以及專利技術輸入輸出等方面著手，對國內以及世界其他國家釩鋁合金技術的專利申請狀況進行了統(tǒng)計分析，總體而言，該領域的專利在國內外的分布均沒有顯現(xiàn)集中趨勢，未見戰(zhàn)略性布局。此外，以該領域核心專利技術內容為基礎，梳理了釩鋁合金發(fā)展的主要技術脈絡，并著重分析了釩鋁合金產品在航空領域的發(fā)展情況，希望能為國內相關企業(yè)及科研機構提供參考。

釩鋁合金;專利申請;航空

1 釩鋁合金產品行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 釩鋁合金市場供求現(xiàn)狀

釩鋁中間合金是生產高強鈦合金的重要原料，被廣泛應用于軍事、航空航天工業(yè)及民用工業(yè)［1－4］。Ti-6Al-4V是眾多鈦合金中應用最廣泛的一種［5－6］，每年生產Ti-6Al-4V所需的釩鋁中間合金折合成金屬釩約2 000 t。目前，全世界每年的釩鋁中間合金消費量約3 500～4 000 t，主要消費市場分布在北美洲和歐洲。世界上生產釩鋁等中間合金的企業(yè)主要有德國電冶金公司、美國戰(zhàn)略礦物公司的子公司——美國釩公司、美國雷丁合金公司、俄羅斯上薩爾達冶金生產聯(lián)合公司，其中德國電冶金公司生產的釩鋁合金占世界總消費量的近50%，產品質量居世界領先水平。國內早期生產釩鋁中間合金的企業(yè)主要有寶雞有色金屬加工廠(現(xiàn)寶鈦集團)和錦州鐵合金廠。隨著中國鈦工業(yè)以及相關領域的發(fā)展，釩鋁中間合金市場具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是隨著我國發(fā)展大飛機計劃的提出，要求國內必須開發(fā)生產出高級釩鋁合金產品，這樣不僅可以替代進口產品，還可以對我國鈦工業(yè)的進一步發(fā)展起到巨大的推動作用。

1.2 釩鋁合金技術發(fā)展狀況

鈦合金的比強度是常用工業(yè)合金中最大的，是不銹鋼的3.5倍，是鋁合金的1.3倍，是鎂合金的1.7倍，所以鈦合金是宇航工業(yè)必不可少的結構材料。而在眾多鈦合金中，Ti-6Al-4V和Ti-8Al-1Mo-1V是最重要的兩種，共占鈦合金市場的50%，主要被用于生產噴氣發(fā)動機、高速飛行器骨架和火箭發(fā)動機機殼。這兩種鈦合金中的釩通常是以釩鋁基合金的形式加入的，由此可以看出釩鋁中間合金是生產航空航天用鈦合金的重要原料。通過對截至2013年年底已公開的釩鋁中間合金的相關專利進行人工標引，發(fā)現(xiàn)其制備方法包括一步法和兩步法，前者主要用于生產初級產品，國內已有一些企業(yè)在利用該方法進行小規(guī)模生產(一般不需要認證)，后者則用于生產高級產品(需要下游企業(yè)認證)。目前世界上能夠采用兩步法生產航空航天級釩鋁中間合金的廠家只有德國電冶金公司和美國雷丁公司。由于中間合金兩步法生產工藝中的第一步生產技術與高釩鐵冶煉技術相同，已非常成熟。第二步主要是對第一步的產品進行進一步的真空精煉，調整成分、去除有害雜質并控制物理缺陷等，目前在技術方面存在一定的未知性，需要進行進一步的研究。

2 釩鋁合金產品的中國專利申請分析

利用CPRS(中國專利文獻檢索系統(tǒng))檢索中國專利數(shù)據(jù)并進行分析，分析數(shù)據(jù)截至2011年12月31日。

2.1 專利申請數(shù)量趨勢分析

圖1為國內釩鋁合金的技術生命周期。由于生產釩鋁合金對技術的要求十分高，該領域在華專利申請總量僅18件，涉及申請人10個。根據(jù)圖1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該領域自1993年才出現(xiàn)第一件在華專利申請，從側面反應出該領域還屬于朝陽行業(yè);在1994—2002年間，專利數(shù)量與申請人數(shù)量均為零，可見，2002年前還沒有任何機構試圖嘗試占領中國市場;2003年，申請人數(shù)量和申請量均為5，是由國內張忠士個人提出的，此后又經(jīng)過了一段空白期，直到2008年后，才存在連續(xù)的在華申請，且申請量與申請人數(shù)量都呈現(xiàn)徘徊增長趨勢，但數(shù)量均不大;2011年達到第一個申請量高峰，為7件專利申請，說明國內對該技術的研發(fā)尚處于開始階段。總之，就現(xiàn)有已公開的專利來看，國內釩鋁合金行業(yè)尚處于剛剛起步階段，專利申請量與申請人數(shù)量的間隔均變化不大，但呈增長趨勢，表明越來越多的申請人開始涉足該領域。特別值得注意的是，攀鋼集團在2011年申請了4件與該領域相關的專利，結合攀鋼集團的“十二五”規(guī)劃，可見我國這家老字號的釩鈦企業(yè)已經(jīng)開始在該領域有布局傾向。

圖1 國內釩鋁合金的技術生命周期Fig.1 The technology life cycle of vanadium-aluminium alloy in China

此外，對上述專利的申請人國別進行分析可以看出，這些在華申請的申請人全部來自國內，這反映出雖然國外技術相對成熟，但還并未在國內進行戰(zhàn)略布局，因此，客觀上來講，國內釩鋁合金產品研發(fā)機構和個人還存在廣泛的機會，應當加大研發(fā)力度。

2.2 專利主要申請人分析

圖2示出了國內釩鋁合金相關專利的主要申請人。通過對釩鋁合金專利的具體申請機構分析可見，基于該行業(yè)的特點，目前國內尚未出現(xiàn)技術壟斷的申請人，申請量最大的申請人為個人——張忠士。此外，該領域申請人較為分散，不僅有企業(yè)還有高校和個人申請。

圖2 釩鋁合金產品主要國內申請人情況Fig.2 The main applicants for patents of vanadium-aluminium alloy in China

2.3 航空用釩鋁合金在華申請技術發(fā)展路線分析

目前，關于兩步法制備航空釩鋁合金的申請共計3件。最早的一件是2010年由承德天大釩業(yè)有限責任公司提出的公開號為CN101906546A的專利申請，該專利披露了一種釩鋁合金的制備方法，其特征是“首先采用金屬熱還原法，以一部分鋁作為還原劑還原五氧化二釩制備出一步釩鋁合金;再將制備出的一步釩鋁合金破碎、烘干后再加入部分鋁，在真空中頻感應爐進行二步熔煉，得到釩鋁合金最終產品”，該申請目前已經(jīng)授權;另外一件是肖景波提出的公開號為CN102330007A的專利申請，該專利披露了一種航空用釩鋁合金的制備方法，具體制備方法是“(1)用鎂磚砌成鎂磚冶煉爐;(2)將砌好的鎂磚冶煉爐置于液化氣或煤氣干燥窯內，干燥12 h;(3)采用計算機控制的配料機進行配料，釩鋁合金的配比為:V58% －Al42%、V65% －Al 35%、V75%－Al25%(質量比);(4)將配好的原料裝入V型混料機充分混合15 min，然后將混合好的原料裝入鎂磚冶煉爐內，用鎂屑點燃裝好的爐料進行冶煉，冶煉溫度為1 800～2 700℃，冶煉時間1min;(5)把冶煉好的合金錠自然冷卻到30～40℃后進行處理，打掉表面的氧化皮;(6)將處理好的合金塊放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉溫度為1 600～1700℃，把合金熔煉到液體狀態(tài);(7)將熔化好的合金在離心澆鑄機中進行澆鑄;(8)在真空狀態(tài)下，采用氬氣循環(huán)冷卻5 h，使合金錠的溫度降到200℃以下后出爐;(9)破碎包裝”，該申請目前也已經(jīng)被授權;第三件是由寶雞市嘉誠稀有金屬材料有限公司提出的CN102392168A的專利申請，該專利披露了一種用于高釩鈦合金材料制造的釩鋁鈦中間合金，其特征是中間合金化學成分如下:V 65% ～71%，Al 10%～14%，O≤0.10%，Ti余量，該專利申請?zhí)幱谝暈槌坊貭顟B(tài)。從以上申請可以看出，國內目前已經(jīng)著手研究二步法制備航空用釩鋁合金，尤其是在組分和制備工藝上已經(jīng)投入研發(fā)，但從申請數(shù)量上來看，尚處于剛剛起步階段。

3 釩鋁合金產品的全球專利申請分析

利用DWPJ(德溫特文獻檢索系統(tǒng))檢索全球專利數(shù)據(jù)并進行分析，分析數(shù)據(jù)截至2011年12月31日。

3.1 專利申請數(shù)量趨勢分析

圖3為釩鋁合金的全球專利申請技術來源量趨勢圖。由圖3可以看出，自1980年以來，釩鋁合金的專利申請技術源的數(shù)量總體呈現(xiàn)波動式增長態(tài)勢，在1986年達到第一個高峰，為13件，但此階段的釩鋁合金多是與其它元素復合，在冶煉鈦合金時使用，例如公開號為DE3625194A的專利中指出釩鋁中間合金在冶煉鈦合金時使用，具有低熔點和熔解性良好等優(yōu)點。之后直到1997年，一直處于徘徊狀態(tài)，而總體呈現(xiàn)下降趨勢，并在1997年下降到0。此后，呈現(xiàn)了緩慢上升趨勢，在2008年到達第二個峰值，為20件，該年度技術來源來自美國的就達18件，大多為開發(fā)了釩鋁合金的新應用，比如噴墨打印機的構件、微流系統(tǒng)等。

圖3 釩鋁合金的全球專利申請技術來源量趨勢圖Fig.3 The trend chart of the patent technology soures of vanadium-aluminiumalloy in the world

3.2 主要申請區(qū)域以及各國技術趨勢分析

表1為世界上主要國家的釩鋁合金專利申請量情況統(tǒng)計表。由表1可以看出，全球專利技術來源量排名前4位的國家依次為日本、美國、中國和韓國。在1980—2011年期間的申請量排名為日本、美國、中國和韓國，這是由于日本在材料領域的技術比較發(fā)達、且擅長作小的改進，因此在釩鋁合金領域的專利申請中也體現(xiàn)了該特點;美國緊隨其后，中國和韓國作為新興的發(fā)展國家，也十分重視該領域的發(fā)展。

表1 主要國家的釩鋁合金專利申請量情況Table 1 The application quantity for vanadium-aluminium alloy patents of the major countries

圖4為世界上日本、美國等主要國家的釩鋁專利申請量變化趨勢圖。由圖4可以看出，日本釩鋁合金專利的申請量發(fā)展趨勢與釩鋁合金的全球專利申請技術來源量趨勢整體十分相近，其主要不同出現(xiàn)于2007以后。2007年后，美國加強了對釩鋁合金領域專利的申請，而日本卻仍然呈現(xiàn)疲軟狀態(tài)。日本所涉及的釩鋁合金的專利申請多數(shù)是在制備鈦合金的過程中加入釩鋁中間合金，例如專利號為JP19870324664、JP20060023198、JP20100071107 的專利披露的均是在制備不同類型的鈦合金中加入釩鋁中間合金，而涉及航空航天用釩鋁合金制備技術的很少。

圖4 主要國家的釩鋁專利申請量趨勢圖Fig.4 The trend chart of vanadium-aluminium alloy patents application quantity of the major country

美國自2000年后，在釩鋁合金領域表現(xiàn)十分活躍，專利申請量一直處于領先地位，但通過分析這些專利的內容發(fā)現(xiàn)，多數(shù)是涉及釩鋁合金的新應用，比如噴墨打印機的構件、微流系統(tǒng)、用于空調設備中的釩鋁中間合金粉末的制備等，而涉及航空航天用釩鋁合金的制備技術的很少。

3.3 航空用釩鋁合金國際技術分析

圖5為全球釩鋁合金二級技術主題分布情況的統(tǒng)計圖。從圖5可以看出，在所統(tǒng)計的195件專利中，涉及為國內企業(yè)所日益重視的二步法制備航天航空用釩鋁中間合金的專利僅有14件，其中以公開號 為 DE2204871A、US3625676A、RU2087574A、JP1165731A等專利為代表，該工藝首先用三氧化二釩或五氧化二釩與鋁混合，制備出VAl85合金，然后加鋁在真空感應爐冶煉，防止吸入氧氣和氮氣。

圖5 全球釩鋁合金二級技術主題分布情況Fig.5 The statistic of vanadium-aluminium alloy secondary technical topics in the world

此外，美國除上述提到的公開號為US3625676A外，還有公開號為WO2000US29632的專利披露了采用Ti-6Al-4V制備飛機的渦輪軸、渦輪葉片和結構梁架等部件，公開號為US20040933638的專利披露了采用Ti-6A1-4V、Ti-3A1-2.5V制備用于航天器用鈦合金。綜上可以發(fā)現(xiàn)，該領域的全球專利數(shù)量與該技術在全球受到的關注度十分不匹配，這是由于該領域大部分機構以商業(yè)機密的形式保護其技術，比如控制全球市場的德國電冶金公司、美國戰(zhàn)略礦物公司和美國雷丁合金公司均沒有申請該方面的專利。因此研發(fā)該技術可供參考的專利技術信息并不多，需要國內企業(yè)在參考相關專利信息的同時，積極從其它渠道進行技術資源獲取，例如搜集非專利信息或者加大自主研發(fā)力度等。

4結語

從近年市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，釩鋁合金在國內外的需求量均不斷提高，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γc此同時，國內外相關企業(yè)也在不斷投入科研力量以優(yōu)化產品性能。但是，該研發(fā)熱點在相關專利申請方面的數(shù)據(jù)表現(xiàn)顯示出釩鋁合金產品以及其制備工藝在國內基本沒有形成任何專利布局，因此各企業(yè)有機會進行一定程度專利布局以占領相關技術領域。此外，全球范圍內該領域的申請量不大，美日等國家在該領域的申請量極少，且多為外圍專利，而控制全球市場的德國電冶金公司、美國戰(zhàn)略礦物公司和美國雷丁合金公司沒有申請該方面的專利，也均是以保密的方式保護其技術，因此各相關企業(yè)在研發(fā)該產品時可供參考的專利技術信息不多，這也從從另一方面反映出該領域仍有很大的自主研發(fā)空間。

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Analysis of Vanadium-aluminium Alloy Patent Application Status

Fu Jia，Tang Zhiyong，Du Xiaoyong，Zhu Ning
(Patent Examination Center of State Intellectual Property Office in Beijing，Beijing 100190，China)

The state of application for world patents about vanadium-aluminium alloy technique in recent years was reviewed，which included patent application quantities，main applicants，technology life cycle，patent input and output situations and so on.Overall，the distribution of vanadium-aluminium alloy patents did not show central tendency both in the domestic and overseas.What’s more，with the purpose of providing a reference for the relative enterprises and scientific research institution in China，the history of vanadium-aluminium alloy technology was integrated based on the core patented technology，and the development of vanadium-aluminium alloy products used in the area of aviation was also analyzed.

vanadium-aluminium alloy;patent application;aviation

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.003

2013－10－13

付佳(1982—)，男，助理研究員。