钛及钛合金精密铸造熔模铸型专利申请分析

徐美新

【摘 要】以涉及钛及钛合金熔模铸型的专利申请为分析样本，从专利申请量趋势、申请产出国分布、主要申请人分布多个角度进行了统计分析。研究表明，以日本的相关专利申请量最多，占了整个相关申请量的39.4%，其次是中国和美国。并重点介绍了该型壳面层材料的主要三大铸型系统——石墨熔模铸型、惰性氧化物陶瓷熔模铸型、难熔金属粉末作面层的熔模铸型。

【关键词】钛合金 熔模铸造 面层 专利分析

引言

熔模铸造过程中型壳制造即结壳包括浸涂料、撒砂、硬化、脱蜡等步骤，其中浸涂料是将蜡模组置于涂料中浸渍，使涂料均匀地覆盖在蜡模组的表层，涂料是由耐火材料、粘结剂组成的糊状混合物，这种涂料可使型腔获得光洁的面层[1]。

近年来，熔模精密铸造技术成为制备钛及钛合金铸件的热门技术，关于该项技术的专利申请也与日俱增。与其他常规金属相比，钛在高温下会与各种气体及常用的耐火材料发生反应，从而使得熔体质量下降，因此在钛合金熔模铸造过程中熔模铸型材料的选择是钛合金铸造技术的关键[2]。

本文所涉及的数据采集自中文数据库CNABS和外文数据库VEN中截止到2014年6月18日已被收录的公开专利申请数据。结合分类号和关键词进行检索，之后对所得到的专利申请数据进行逐篇筛选、并对其进行必要的技术标引，得到有效数据221项，以此作为分析基础。

1 专利申请概况

1.1 申请量趋势分析

该技术首次专利申请为1964年GEN ELECTRIC提出的US3284862。20世纪70年代铸钛进入了迅速发展的新阶段，在随后的30年中持续增长，并于1991年-2000年间达到申请量的最高峰。但从2000年开始至今，申请量呈递减趋势，原因可能该技术已经发展到较为成熟或达到瓶颈阶段。

1.2 申请产出国分布

该技术主要集中在日本、中国、美国，且尤以日本的申请最多（占到39.4%），其它国家公開的申请量与其相比差距较大，可见日本在该领域具有极强的研发能力；位列第二的中国只占17.1%，与日本相差较大，中国应加强在该领域的研究。

1.3 主要申请人

该技术的国外专利申请基本上主要集中在日本和美国，超过15件的两大公司分别是日本的KAWASAKI STEEL CORP和美国的REMET CORP。总体上，在日本和美国呈现出多家公司共同发展、齐头并进的趋势。

2 技术分析及其发展趋势

目前世界上在生产中采用的钛合金熔模精密铸造系统的型壳材料主要包括石墨熔模铸型、氧化物陶瓷熔模铸型、难熔金属粉末熔模铸型以及其他材料[3]，最后在80年代、90年代基本统一演变为惰性氧化物熔模铸型，使惰性氧化物陶瓷成为主要面层型壳材料。

2.1 石墨熔模铸型

US3256574首次提出以人造石墨为耐火材料、硅树脂为粘结剂的熔模铸型型壳面层材料，并随后申请了大量的专利。SU486845、SU574267也采用石墨—树脂熔模型壳生产钛精铸件。然而，人造石墨易氧化，吸附气体能力强，热导率高，易使铸件表面出现微裂纹，浇铸时不能在过高的温度下预热，除去“α”层时会使钛铸件精度受到影响。故该种铸型仅仅在20世纪70年代申请量较多，现已基本不用。

80年代后，Howmet公司已转向惰性面层陶瓷型壳如US4703806采用氧化钇陶瓷作为耐火材料，US5975188采用氧化铒及其它陶瓷颗粒。

2.2 惰性氧化物熔模铸型

US4196769采取向ZrO2中加入4%～8%的CaO，经高温电熔或煅烧后得到稳定的ZrO2固溶体。美国GARRETT CORP公司的Richerson US4040845采用以Y2O3为主，混有少量稀有重金属氧化物制成陶瓷坩埚和铸型，效果较为理想且降低了成本，但存在工艺反复、成分复杂、高费用的缺点。

LaSalleUS5766329采用碳酸钙预制涂料浆制备氧化钙面层涂料，采用碳酸钙经1000℃焙烧，使其转化为CaO，并在700℃～800℃下浇铸，可以避免吸潮，但仍需经过预先的除杂处理。

2.3 难熔金属粉末作面层的熔模铸型

US3743003用金属有机化合物作粘结剂难熔金属粉作面层耐火材料，为保证壳型的稳定性还添加一种阻化物生成剂，经高温氧化焙烧后在由粘结剂转化成的氧化物上覆盖一层还原后的难熔金属。因此，这种模壳具有较高的热稳定性可预热到1000℃以上，能浇铸出表面无沾污的薄壁（2mm-1.27mm）钛精铸件，缺点是铸件表面会粘结部分难熔金属粉，需进行碱洗处理，面层热导性很高铸件易出现冷隔缺陷。

US4196769和US4216815进一步提出采用部分稳定的稀土氧化物取代难熔金属粉，从而降低了模壳成本，又减少了形成冷隔缺陷的倾向。90年代后Rem公司已转向采用惰性面层陶瓷型壳来生产钛铸件，如US5738819完全以氧化钇陶瓷作为型壳耐火材料。

2.4 其他材料

还有一部分专利游离于上述三大系统之外，其耐火材料成分一般为碳化物、硼化物、硅化物和硫化物等，如TiC、ZrC、Cr3C2，、TiB2、MoB2、CrB2、TaB2、MoSi2、CeS，相关的专利申请JPH05163112以TiC为耐火材料，磷酸盐、碱金属氧化物作粘结剂，DE59712839以氮化物、SiC和陶瓷氧化物混合作为耐火材料等。

结语

从国外钛及钛合熔模精密铸造型壳材料的专利技术发展来看，该技术领域虽然起步较晚，但发展迅速目前已基本成型，然而从各铸钛公司和研究所的申请来看，由于对造型材料和制壳工艺的严格保密，其使用的都是各不相同的铸型材料和铸型工艺；而对于国内的申请人来说，水平可能还参差不齐，先进技术主要还是掌握在少数几家申请人的手中，且从专利申请上来看，与世界发达国家还存在较大的差距，国内申请人应多加强相互之间的交流，争取从铸型材料以及制壳工艺的选择上寻求突破。

参考文献

[1]邓文英.金属工艺学（上），北京市：高等教育出版社，1964.10.

[2]黄东等.国外钛和钛合金熔模精铸涂料浆的研究和发展.铸造，2004年第53卷第3期：179-182.

[3]周彦邦，甘敬林.国外钛合金铸造技术的发展.现代铸造，1981年01期：60-66.