镍基高温合金世界专利分析

张晓冬，容 淦，秦 思，曾 基，刘化然，李志鹏

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 材料部，北京 100190)

镍基高温合金是用于生产航空发动机、航天火箭发动机以及工业燃气轮机各种高温零部件不可缺少的一类重要材料。航空发动机、固体火箭发动机和燃气轮机等各类推进系统的研制水平，不仅是衡量一个国家航空航天工业、石油化工行业等发展水平的重要指标，也关系到一个国家的国防安全。2011年3月16日，我国发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确指出“优化结构、增强产业配套能力，发展先进制造业，促进制造业由大变强，在有色金属领域要重点发展航空、电子信息等所需关键材料，支持冶炼前沿技术及短流程、连续化工艺技术”。同时，《国家知识产权战略纲要》指出“以国家战略需求为导向，在生物和医药、信息、新材料、先进制造等领域掌握一批核心技术的专利，支撑我国高技术产业与新兴产业发展”。

促进镍基高温合金产业发展对于我国发展航空发动机、固体火箭发动机和燃气轮机等战略产业具有非常重要的意义。专利竞争已成为国际间科技竞争和经济竞争的制高点。许多国家都在实施或着重制定以专利战略为主的知识产权战略，并把它作为振兴本国经济、增强国际竞争力的战略性武器。文中将对镍基高温合金专利进行系统分析和研究。

一、检索系统、数据库和分析工具

选择国家知识产权局的专利检索与服务系统，在德温特世界专利索引数据库DWPI中，对世界范围内的镍基高温合金专利文献进行检索采集，同时使用中国专利文献检索系统CPRS(CNPAT数据库)、对我国受理的镍基高温合金专利文献进行检索采集以作为补充。本文涉及整个镍基高温合金领域，其覆盖的范围很广，主要采取分类号+特定关键词的检索策略。其中分类号包括IPC和ECLA，ECLA分类体系是在IPC分类体系上的进一步细分，两者的主体结构基本相同。相关IPC分类号所涵盖的主题见表1。

表1 相关分类号所涉及的主题

二、专利申请量年度分布分析

图1 镍基高温合金领域全球专利申请量发展趋势

图1给出了镍基高温合金领域专利申请量的全球发展趋势。国外的镍基高温合金研究起源较早，早在1964年日本就申请了第一个镍基高温合金专利(JP72049408B2)。在1974-1999年，镍基高温合金领域全球专利申请经历了二十多年稳定期，维持在20件/年。迈入21世纪，由于各国对航天航空技术的大力发展，镍基高温合金技术得到重视，国外镍基高温合金领域专利申请再次活跃起来，并在2011年达到顶峰72件。

三、全球专利目标国分析

图2 镍基高温合金领域全球专利目标国分布

全球专利目标国分布是针对专利申请国别的分析，主要是申请公开国别进行统计分析，从图2可看出，公开量专利中中国占第一名，达到了436篇之多，占到34.3﹪日本专利也达到了419篇仅次于中国，达到32.97﹪。之后依次为俄罗斯的99篇,美国的88篇,欧洲48篇，德国的33篇。 中国和日本在该领域仍然是全球专利申请大国。

四、全球专利TOP15申请人分析

图3 镍基高温合金领域全球申请量TOP15申请人

图3可以看出，镍基高温合金专利的申请人主要集中在美国、中国和日本的各个大型公司，其中大多数申请是企业和研究所集中在日本，说明日本对于镍基高温合金的研究广泛，技术相对先进和成熟。

五、镍基高温合金技术手段分析

镍基高温合金的改进手段主要包括成分含量控制、强化处理、热处理工艺的改进以及熔炼方法等。涉及主要技术手段的专利申请量分布情况如图4所示。

图4 镍基高温合金领域涉及主要技术手段的

图4可以看出，成分含量控制研究的专利申请量最多，而热处理工艺改进、强化处理和熔炼方法研究专利申请量实质是制备方法的改进。

六、镍基高温合金使用温度分析

镍基高温合金按其适用温度范围主要分为(-253-950)℃、(900-1300)℃、(-253-950)℃、(-253-650)℃、(650-950)℃和(950-1100)℃，具体分布如图5所示。

图5 镍基高温合金使用温度分布图

七、镍基高温合金技术效果分析

图6可以看出，全球范围内耐腐蚀、耐氧化和超高温是镍基高温合金领域较受关注和追求的主要技术效果。高温合金主要应用于航空航天极端条件下服役的结构部件，例如涡轮叶片、导向叶片等，工作温度高，高温腐蚀和氧化是部件的主要失效原因。因此，当前研究主要着力于提高高温条件下耐腐蚀和抗氧化性能。

图6 全球范围镍基高温合金领域涉及主要

八、镍基高温合金全球专利合金体系分析

图7是镍基高温合金领域的全球专利申请中的合金体系分布。申请量排名前三位的镍基高温合金体系依次为Cr-Co-W-Mo系(132件)、Cr系(84件)、Cr-W-Mo系(51件)。Cr-Co-W-Mo是镍基高温合金中的主要添加元素，这些元素能够显著改善镍基高温合金的高温性能和力学性能。

九、镍基高温合金全球专利微观组织分析

图8表示在镍基高温合金领域，等轴晶的申请量最多为154件占总申请量的68%，其次是单晶42件占18%，定向凝固柱晶32件占14%。

图8 全球范围镍基高温合金微观组织分布图

十、结语

镍基高温合金专利技术输出国主要集中在美国、日本和中国，而德国、法国、韩国、俄罗斯专利量相对较少；国外及国内的大型企业和研究所(例如美国通用电气、中国科学院金属研究所和日本株式会社等)是镍基高温合金的主要的技术研发者，从专利申请量变化趋势及研究者类型可以看出镍基高温合金目前正从技术成熟期逐渐走向技术衰老期，镍基高温合金技术比较成熟，具有广泛的市场前景。

镍基高温合金技术手段的改进集中在成分含量控制和热处理方法，其中Cr-Co-W-Mo是主要的合金添加元素；RE是主要的微合金化元素；等轴晶的镍基高温合金是主流；而航空航天是镍基高温合金的主要应用领域。因此，耐腐蚀、耐氧化和超高温是镍基高温合金追求的主要技术效果。

对于中国来说，镍基高温合金主要由金属所和中国航空工业集团进行研发和生产，日本整体上申请量最多，美国次之，中国最少，在镍基高温合金领域上中国与美国、日本具有相当的技术实力和积累。

参考文献：

[1]刘 阳,叶洪涛,张 军等.航空用镍基高温合金切削现状研究[J].航空制造技术,2011，(14).

[2]中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[R].2011.

[3]世界知识产权组织.国际专利分类表·化学.冶金分册(第8版)[M].北京：知识产权出版社,2006.