随着航空、航天技术的发展，对航空、航天发动机所用高温结构材料的性能要求也越来越高，“更强、更刚、更耐热和更轻”成为对新型高温结构材料的要求。钛铝（TiAl基金属间化合物合金具有密度低、高比强度、比刚度，以及抗高温蠕变性好及高温抗氧化能力强等特点，被视为在航空航天领域可代替镍基高温合金的新1代高温轻质结构材料。

　　20世纪80年代美国宇航局、能源部及许多大公司已经开始对TiAl 合金的研究给予了大力支持和资助，日本金属学会也开始了对TiAl 合金的联合开发，而我国也将TiAl 合金的研究列入了“国家863高新技术发展计划”。目前，美国航空航天局已经开始将TiAl合金作为新1代航天飞机(X-30)已将Ti-Al 作为发动机部件、支架和蒙皮的候选材料，而英国Rolls-royce公司也认为TiAl合金是未来军用和民用飞机发动机的必备材料，并开始应用铝合金铸件来代替发动机低温部分的定子和一些结构件，起到降低成本的作用，且制定了铸件表面微观组织、化学成分等标准。

　　随着研究的进展，国内TiAl合金的专利申请量逐渐增加。本文以中国专利检索数据库(CNABS)公开的TiAl合金领域的相关专利文献为基础进行检索。检索范围为1985年到2016 年10 月间向我国国家知识产权局提交并公开的TiAl合金专利申请。从中去除相关性不强的专利申请后，共获得184 篇TiAl合金专利申请，并进行统计和分析，希望为我国TiAl合金的技术发展提供参考。

一、专利申请量趋势

　　虽然早在20世纪80年代，世界各国就开始于TiAl 合金的各种力学性能、微观结构及制备技术进行了研究，并开始尝试用于喷气式发动机的零件、航天飞机发动机部件、支架、蒙皮等。但在我国，直到最早1990年才出现的TiAl合金领域的第一篇专利申请，通用电气公司提交了一篇通过加入硼来提高耐高温TiAl合金延展性的发明专利申请，但该专利中Al的添加量还比较低，仅为6%～30%（原子含量）。3年后，我国申请人在TiAl合金领域的第1篇申请才由原航空航天工业部第621研究所提交的关于Ti-Al系金属间化合物基合金的大型铸锭的熔炼工艺[4]的专利申请，成为我国申请人在该领域的第1件申请。

　　图1 为我国TiAl合金领域专利申请趋势图。由图1可见，2005 年以前TiAl合金领域专利申请量较低，年申请量最多不超过5件；2005年后TiAl合金领域专利申请量出现持续增长，并于2014年达到了峰值，但由于2015年、2016 年的数据部分未公开，且2016 年的数据不完整，因此不能由此确定2015 年和2016 年申请量下降的趋势。

图1 我国TiAl合金领域专利申请趋势图

二、申请人类型及主要申请人

　　根据图2可以看出，高校以及科研院所是我国TiAl合金领域专利的申请主体，其申请量占到了全领域的74%，而与之相对的，企业申请量仅占总量的23%，还有有少量其他单位申请或个人申请。与其他常规Ti合金领域的专利申请状况相比，企业申请比率偏低。这主要与TiAl合金应用领域相对狭窄，制备工艺复杂，生产成本较高有关。目前国内该领域大规模商业生产的产品较少。

图2 我国TiAl合金领域专利申请人类型分布图

　　表1 显示了我国TiAl合金领域专利申请人的排名情况。总体来看，前10位申请人的申请量之和占到了该领域国内申请总和的61%，其中排名第1的哈尔滨工业大学申请量优势较大，比第2名和第3名的申请人的申请量总和还要多，而排名第4～10位之间的申请人之间申请量差距不大。国内申请人在该领域中占有绝对优势，申请量前10的申请人中仅有1家国外申请人。

表1 我国TiAl合金领域专利申请人排名

三、主要技术分析

　　综合来看目前国内TiAl合金领域的专利技术主要涉及3大类，一类主要涉及TiAl合金本身的成分设计，一类主要涉及TiAl合金的制备方法，还有一类主要涉及TiAl合金复合材料。

　　由图3中可以看出，以改进TiAl合金制备方法为主要目的申请数量最多，占到了全部申请量的42%，通过成分设计来改善TiAl合金性能的申请量为目的的申请占总量的32%，而通过复合改性的方法来提高TiAl合金基体的性能最少，仅为26%。

图3 我国TiAl合金领域技术分类统计

　　对这3类申请的专利申请量的时间分布进行进一步研究。如图4所示，1990-2000年间，TiAl合金领域的申请量较小，且仅涉及成分和制备方法2个方向，这2类的申请量基本相当。随着技术的进一步发展，复合强化作为改善TiAl合金性能的技术手段开始出现，2001-2005年间，TiAl合金复合材料的专利申请首次出现，并占据了申请总量的近1/3。于此同时，涉及TiAl合金成分和TiAl合金产品制备方法的申请量也都有所增加。2006-2010年间，这3个方向的申请量持续增长，其中涉及制备方法的申请量增长最快，所占比例也增加至近50%。2011-2016年间，这3类专利的申请量都显著增长，其中涉及组分的专利申请量增长最为明显，为2006-2010年间该方向申请量的4倍，复合改性方向的申请量所占比例有所下降。这表明这一时期，领域内对于TiAl合金组分改进的热情重燃，投入更多的人力物力，试图从这个方向有所突破。

图4 我国TiAl合金领域技术分类时间分布统计

1.TiAl合金成分设计专利分析

　　具体对主要涉及TiAl合金本身的成分设计的59篇专利申请进行进一步分析。Ti、Al是TiAl合金中最主要的构成元素，2者的比例是决定合金内部化合物类型的关键。具体分析发现，上述专利文件涉及的TiAl合金中约90%的Al含量都在43%～48%（原子含量）的范围内，即以Ti-Al金属间化合物为主。可见，Al含量的并不是该领域研究者常识改变的关键要素。在此情况下，通过添加其他元素改善性能就成为TiAl合金领域成分改进的主要途径。

     如图5是对TiAl合金领域组分改进专利进行分析后的结果。可见，Nb、Cr是这些专利中最主要的添加元素，它们在TiAl合金中添加的频次远高于其它元素，共有42篇专利申请中添加了铌（Nb），占到了该部分申请总量的71%，26篇专利申请中添加了铬（Cr），占该部分申请总量的44%。

图5 我国TiAl合金领域组分改进专利中合金元素出现频次

　　由于TiAl合金的室温塑性差，通过添加 Nb等β稳定元素引入塑性好的β/B2体心相，可以改善合金的塑性，且Nb的加入还可以提高TiAl合金的强度和抗氧化性能，因此Nb元素逐渐成为TiAl合金中必不可少的一种添加元素。Nb可明显提高强度和抗氧化性能，通过提高Nb含量而获得高铌TiAl合金的专利申请比例较高，占到了此类申请总量的一半以上，其采用的Nb添加量都在5%～15%（原子含量）之间。但是由于Nb元素在Ti合金中具有强烈的β稳定化特性，导致多数高Nb的TiAl合金均为亚包晶凝固或单一β相凝固合金，非过包晶凝固合金。这些合金铸锭和铸件的热裂趋向严重，易产生开裂，严重影响TiAl合金母合金铸锭及铸件的生产。因此，部分的申请人选择降低Nb的添加量至5%以下，以减少了含铌铸造钛铝合金铸锭和铸件的热裂趋势，这部分的申请占到了此类申请的约35%。还有少量申请中Nb的添加量超过15%（原子含量），其中最高达到了40%（原子含量）。大幅增加Nb的添加比例，可以使得TiAl基合金在获得与常用变形高温合金相似抗氧化性的同时，比重比高温合金低一倍左右，因而具有显著的比强度优势。但这类合金也存在着以进行常规压力加工和成形，成形困难及制造成本高等缺点。

　　除Nb之外，还有近20种元素也被用于TiAl合金中，这些元素多通过固溶强化或析出强化等作用[9-11]，来提高TiAl合金的强度及耐高温性能，其中Cr、碳（C）、镍、钼、硼（B）、锰、钒、硅、钨的出现频次较高。

2.TiAl合金制备方法专利分析

　　对主要涉及TiAl合金产品制备方法的84篇申请进行进一步分析可以发现，有近1/3的申请针对性明确，着力于改进熔炼、铸造、热成型及热处理中的1～2个步骤来达到改善AlTi合金性能的目的。例如，通过特定的熔炼工艺降低铸件或铸锭的杂质含量，提高铸件的质量；通过特定的铸造和热处理工艺提高细化合金组织，得到具有细小片层团的近全片层组织等。还有约1/5的专利申请侧重于特定形状的AlTi合金的制备，如板材、棒材等的制备工艺。其余的专利申请中，并未明确对制备工艺中的具体步骤的改进。

3.TiAl合金复合材料专利分析

　　对于主要涉及复合TiAl合金的38篇申请进行进一步的分析可以发现，陶瓷颗粒增强TiAl合金是最常用的复合手段，近80%的申请中都是采用陶瓷颗粒作为增强相。如图6所示，碳化物、氧化物是最常用的陶瓷颗粒，其次则是硼化物、硅化物和氮化物。Ti2AlC和Ti3AlC2因兼具金属和陶瓷的双重性能，且与TiAl的热膨胀系数接近，因此是理想的强化相颗粒，其加入方式既可以是直接混合加入，也可以通过原位反应在TiAl合金基体内生成。

　　Al2O3颗粒成本低廉，且热膨胀系数与TiAl合金基体接近，也是常用氧化物类增强颗粒，其加入方式也分为直接混合加入和原位生成加入2种，而为了更好改善TiAl合金基体的超塑性和高温性能，Al2O3也常与Cr2O3一起配合加入[17]。除此之外，TiB2、Ti5Si3颗粒因能显著细化组织，提高高温变形性能和冲击韧性，且不与基体发生界面反应等优点，也成为TiAl合金复合材料的强化相的选择之一。虽然TiAl基复合材料综合了TiAl金属间化合物和陶瓷的优点，具有轻质、高强、耐高温、耐磨、耐腐蚀和韧性高等综合性能，但强化相分布不均匀，后续加工困难等问题依然是复合TiAl合金材料领域尚需解决的问题。

图6 我国TiAl合金领中不同陶瓷增强相的出现频次

　　通过对我国TiAl合金领域的专利申请进行分析发现，国内申请人对于该领域的研究非常重视，近年来领域内申请量增长迅速，但仍处于基础研究的阶段，申请人中企业比重较小。目前国外申请人我国该领域的专利布局较为有限，而领域内的技术发展迅速，我国创新主体应抓住有利时机积极进行专利申请布局，尽早占领专利市场，提高潜在的市场价值。