基於專利分析我國鈦及鈦合金材料未來研究方向

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

1.大型熔煉及加工裝備的研製

通過對我國鈦及鈦合金專利分類統計發現，我國在新型鈦合金研製以及加工技術方面開展了大量的研究工作，並取得了諸多成果。我國目前已成功研製的鈦合金有70多種，其中有50多種已列入國家標準，並形成了高溫鈦合金系列、結構鈦合金系列、船用鈦合金系列、耐蝕鈦合金系列以及醫用鈦合金系列5大系列，相關專利申請數量也居於首位（IPC C22C類）。此外，在鈦的加工技術方面也是碩果纍纍。2014年寶鈦集團成功研製出TC4鈦合金型材，填補了我國鈦合金型材製造技術的空白，使我國成為繼美國、俄羅斯之後第3個掌握鈦合金型材生產技術的國家，而寶鈦集團在2008、2013年就先後申請了「一種鈦及鈦合金型材擠壓組合模具」「鈦合金型材熱擠壓用玻璃潤滑劑 」的相關專利；2015年中航卓越鍛造（無錫）有限公司通過鍛造—軋制工藝成功製造出外徑2 203 mm、內徑1 690 mm、高810 mm、質量4.7 t的特大型鈦合金異形環，並申請了「大型數控鑽床加工環形鍛件找圓心的方法」「環形鍛件用探傷裝置」「環形鍛件用提升裝置」等相關專利近10件；2017年，北京百慕航材高科技股份有限公司成功研製質量達820 kg的超大型鈦合金鑄件，並申請了「 一種鑄造合金鈦及其製備方法」「一種校形鈦合金構件的模具定位機構」「一種用於多邊形框架的校形工裝」等相關專利近10件；2018年，西部鈦業有限責任公司成功研製出國內最大規格的海洋工程用鈦合金板材，並連創國內「三項之最」：鑄錠單體質量最重（12.8t）、板坯噸位最高（9.8 t）、板材規格最大（42 mm×3660 mm×12 530 mm）。該公司成立於2004年，位於全國重要的鈦材生產基地陝西省，主要從事鈦及鈦合金加工材的生產。從專利申請情況來看，自2006年6月起，該公司開始不斷有關於鈦管、鈦棒、鈦板等主要加工材的專利申請記錄，10餘年來，專利累計申請數量達100餘件，其中涉及裝置改進、模具設計的有30餘件。

從上述分析可以看出，鈦及鈦合金材料研製道路上的每項重大突破都伴隨著相關專利的湧現，但通過對專利內容深入歸納發現，雖然我國科研院所及企業對合金成分、性能、加工工藝等開展了大量的研究工作並取得了許多顯著成績，但是在大型熔煉和加工設備研製方面的研究相對較少，與國外相比仍存在一定的差距。據不完全統計，國內目前在電子束冷床爐設備方面有相關專利申請的機構只有龍南新晶鈦業有限公司、雲南鈦業股份有限公司、北京有色金屬研究總院、寶山鋼鐵股份有限公司等不足10家，且主要停留在進料系統、移動門裝置等非核心設備的研製上；關於真空自耗電弧爐的相關專利則相對多一些，約近50件，主要的申請機構有寶雞市金盛源鈦業有限公司、西安聚能裝備技術有限公司、西安擴力機電科技有限公司、西部超導材料科技股份有限公司、攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司、湖南金天鈦業科技有限公司等。由此可見，我國在大型熔煉及加工設備核心部件及自動化系統方面的研究仍比較欠缺，需加強自主化研製進程，這將對於降低我國鈦合金生產成本，加快鈦合金的推廣應用具有重要意義。

2.鈦表面處理技術的研究

鈦及鈦合金材料應用領域的極速擴張，對鈦表面處理技術也不斷提出了新的要求。船舶零件、橋梁構件等要求鈦材表面具有優異的耐蝕性；齒輪、軸承等要求鈦材有良好的耐磨性；作為電極使用時，鈦材還需具有良好的電活性；用於骨科器械、血管支架時，要具備生物活性；此外，在製成手錶、首飾時，還要有很好的裝飾性。為此，近年來關於鈦表面處理的專利（IPC C23C類）申請數量也是與日俱增，略居於第2位。

目前鈦材表面處理技術的來源主要有2類：一類來源於將現有的已在鋼鐵領域中成功應用的傳統表面處理技術（包括熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉化膜、熱噴塗等）用於鈦材表面[6]，相關專利例如「一種鈦及鈦合金球閥密封副和摩擦副的表面硬化處理方法」，該處理方法是將傳統的化學熱處理與氣相沉積相結合，從而提高密封部位和摩擦部位表面的耐磨性和硬度；一類是結合鈦材的特性，開發新型表面處理技術（包括液相等離子體技術、輝光等離子表面冶金技術等），相關專利例如「一種鈦合金表面使用微弧氧化溶液製備高溫複合塗層的方法」，該處理方法是通過在微弧氧化溶液中對鈦合金進行微弧氧化，從而獲得具有Al2TiO5+ZrO2耐高溫複合塗層的鈦合金。相對於新型鈦合金研製及加工技術方面的研究，表面處理技術的研究則仍處於起步階段，特別是關於新型表面處理技術方面的專利所佔比重較少，因此，圍繞鈦產品，開發新型的適合於鈦及鈦合金表面處理的技術和塗層材料將是滿足鈦合金在海洋、醫療、航空等特殊使用環境中使用需求的一個重要研究方向。

3.生物醫用鈦合金的設計及應用

我國對生物醫用鈦合金的研究起步較晚，「十一五」期間，隨著我國對生物材料領域科技投入的加大，西北有色金屬研究院、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學院金屬研究所等機構先後從事了生物醫用鈦合金的研製工作，其中，西北有色金屬研製的TLM(Ti-Zr-Sn-Mo-Nb）、瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室工程合金研究部多功能合金研究所研製的Ti2488（Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn）、天津科技大學大學研製的「一種無鎳生物醫用鈦合金Ti-Nb-Zr材料及其製備方法」等多項關於生物醫用鈦合金的專利均獲授國家發明專利，這說明一方面該領域有大的研發空間，相對容易取得技術創新與突破，另一方面說明生物醫用鈦合金有著廣闊的市場需求及前景，並且國家給與了極大的政策支持，例如《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》將「生物醫用材料」列為優先發展主題，提出了「開發人體組織器官替代等新型生物醫用材料」等重要的科技任務，從IPC分類統計中也可以看到這一點。目前，IPC A類中關於鈦及鈦合金的專利主要與外科器械、可植入血管的濾器、假體以及牙科裝置等有關，這些體現到具體的鈦合金產品上主要有血管內支架、心臟瓣膜、牙種植體等。通過對目前已公開的生物醫用鈦合金相關專利內容的分析以及未來醫療市場需求的預測，新型醫用鈦合金的研發、製造、表面改性以及典型醫療器械產品的設計、加工成形將成為需要繼續深入探索的方向。

通過對我國鈦及鈦合金材料專利的統計分析發現，自2002年以後，我國進入了鈦及鈦合金材料研究的快速成長期，特別是2011年以後，伴隨著國家各種利好政策的頒布實施，以及航空航天、海洋船舶等大型項目的拉動，對鈦及鈦合金這一重要的國家戰略型新材料的研製更是步入了高速發展階段。目前，國內鈦產業布局相對集中，主要分布在華東、西北以及東北片區，主要研究機構及生產企業包括哈爾濱工業大學、西北工業大學、西北有色金屬研究院、中國科學院金屬研究所、上海交通大學、寶鈦集團等。通過IPC分類對熱點技術分析可以預測，大型熔煉及加工裝備的研製、鈦表面處理技術的研究以及生物醫用鈦合金的設計及應用將是鈦及鈦合金研究者深入挖掘、研究探索的重點方向。

免責聲明：以上內容轉載自鈦之家寶雞鈦產業研究院，所發內容不代表本平臺立場。

全國能源信息平臺聯繫電話：[phone]，郵箱：[e-mail]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社