激光近凈成形專(zhuān)利技術(shù)綜述

高港

摘 要：本文簡(jiǎn)要概述了激光近凈成形技術(shù)的產(chǎn)生和技術(shù)脈絡(luò)，同時(shí)對(duì)這項(xiàng)科技在中國(guó)（1996年至2019年）及外國(guó)（1996年至2019年）的這些年的專(zhuān)利申請(qǐng)情況、國(guó)際分類(lèi)情況、區(qū)域情況、技術(shù)產(chǎn)生國(guó)、申請(qǐng)目的國(guó)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：激光近凈成形;增材制造;專(zhuān)利申請(qǐng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334.8;G306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0253-02

0 引言

激光近凈成形技術(shù)是一種近期產(chǎn)生的高速成形科技，它的理論基礎(chǔ)是將激光焊接和粉末冶金技術(shù)相結(jié)合，高速的獲得剛度、韌性等力學(xué)性能符合要求的金屬部件。本文將涉及金屬材料的粉末立體凈成形技術(shù)統(tǒng)一歸到激光近凈成形技術(shù)下。

一般認(rèn)為，該技術(shù)源自1992年，由美國(guó)軍方解密以合金粉末為原料的激光直接加工成形的技術(shù)為起點(diǎn)，并由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在1995年公開(kāi)提出的強(qiáng)狀態(tài)金屬零件的激光快速成形技術(shù)，在美國(guó)軍方研究計(jì)劃支持下，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室第一個(gè)發(fā)展出激光近凈成形技術(shù)，研究了不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、難熔金屬等材料的性能及組織，顯示優(yōu)勢(shì)的確出現(xiàn)在該技術(shù)在高性能金屬零件直接成形方面中。在申請(qǐng)的專(zhuān)利上，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在1996年4月7日提出了公開(kāi)號(hào)為US5568499A的專(zhuān)利申請(qǐng)，對(duì)用激光照射噴嘴輸送粉末氣流的技術(shù)方案進(jìn)行了保護(hù)，一般認(rèn)為該專(zhuān)利是激光近凈成形技術(shù)的起始專(zhuān)利。

檢索時(shí)間為2019年7月11日，一個(gè)專(zhuān)利家族的專(zhuān)利視為一份文獻(xiàn)，中文專(zhuān)利采用的主要數(shù)據(jù)庫(kù)是CNABS，輔助數(shù)據(jù)庫(kù)選擇CPRSABS。即先在CNABS庫(kù)進(jìn)行檢索，再在CPRSABS根據(jù)實(shí)際需要補(bǔ)充檢索，最終利用FN同族號(hào)將CPRSABS的結(jié)果轉(zhuǎn)入到CNABS中，檢索式：

（CPRSABS庫(kù)中）

..er m1

..mems m1 /fn rk 1

（CNABS庫(kù)中）

*m1/fn

其次將通過(guò)CNABS檢索獲得的文獻(xiàn)與自CPRSABS轉(zhuǎn)庫(kù)得到的文獻(xiàn)疊加并去重，即為中文專(zhuān)利文件初始結(jié)果，然后進(jìn)行降噪的一些處理，獲得的中文專(zhuān)利文件的最終結(jié)果為271件專(zhuān)利。

檢索外文過(guò)程與之相似，選擇DWPI為主要檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇SIPOABS和VEN為輔助數(shù)據(jù)庫(kù)，首先在DWPI中適當(dāng)檢索，然后于SIPOABS和VEN中補(bǔ)充檢索，最后經(jīng)過(guò)FN同族號(hào)將結(jié)果匯總到DWPI里，進(jìn)行常規(guī)降噪處理后，獲得的中文專(zhuān)利文件的最終結(jié)果為587件專(zhuān)利。

1 中國(guó)歷年專(zhuān)利

中國(guó)對(duì)激光近凈成形的最早專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)于1996年前后，其發(fā)展過(guò)程大致分為兩個(gè)部分：第一部分、1996年到2011年：頭一個(gè)5年，這個(gè)部分的專(zhuān)利申請(qǐng)量不多并且沒(méi)有什么增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明這個(gè)時(shí)候該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)還處于萌芽階段，主要是研究和探索，技術(shù)產(chǎn)出貧乏未到發(fā)展實(shí)際;第二部分、2012年到2019年：這七年中，首先申請(qǐng)量出現(xiàn)較大幅之增加，說(shuō)明這個(gè)時(shí)候該技術(shù)處于突破屏障發(fā)展部分，前面的研究已逐漸形成技術(shù)成果產(chǎn)出產(chǎn)品等。考慮到18個(gè)月的公開(kāi)時(shí)間對(duì)于專(zhuān)利申請(qǐng)是必須扥，并且所選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)也存在一定的延時(shí)更新時(shí)間，2018年以及2019年的很大一部分專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)字還無(wú)法明確統(tǒng)計(jì)。

我國(guó)對(duì)激光近凈成形的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在B22F（粉末冶金）和C23C（金屬鍍覆）兩個(gè)領(lǐng)域，其申請(qǐng)量分別達(dá)到了21%和16%，可見(jiàn)，上述兩個(gè)領(lǐng)域是中國(guó)對(duì)激光近凈成形研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

接下來(lái)，說(shuō)明中國(guó)對(duì)激光近凈成形相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的主要省市分布，發(fā)現(xiàn)湖北、陜西、上海為申請(qǐng)量排名在第一、二、三位的申請(qǐng)省份或直轄市，其中湖北的申請(qǐng)量最大，達(dá)22項(xiàng)，這與湖北的研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校、大型企業(yè)等學(xué)術(shù)或工業(yè)力量比較具有優(yōu)勢(shì)地位有很大關(guān)系，陜西和上海的研發(fā)實(shí)力比較接近，申請(qǐng)量以此為19項(xiàng)和17項(xiàng)，這兩個(gè)地區(qū)由于具有西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等一流高校的支持有極大優(yōu)勢(shì)，并且這些高校的專(zhuān)利產(chǎn)出量也相對(duì)比較大;除此之外，北京、深圳、廣東以及山東，也占據(jù)我們國(guó)家的領(lǐng)先位置。該信息能反映出激光近凈成形在我們國(guó)家省、直轄市一級(jí)的分布情況，這個(gè)信息對(duì)各地政府機(jī)關(guān)和企業(yè)單位以及高校了解激光近凈成形技術(shù)的了解會(huì)起到一定的幫助作用。

2 世界歷年專(zhuān)利

目前大家的統(tǒng)一共識(shí)，認(rèn)為工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展階段一般包括科技孕育期、科技成長(zhǎng)期、科技長(zhǎng)成期以及科技瓶頸期這樣幾個(gè)部分，最早的激光近凈成形的思路是1978年美國(guó)的一個(gè)研究單位給出的，1978年這個(gè)研究單位就提出了采用同種金屬材質(zhì)一層一層不斷堆積的理論，但是當(dāng)時(shí)由于計(jì)算機(jī)發(fā)展的還不夠完善和完全成熟，等到了1985年前后才通過(guò)了美國(guó)軍方要求進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，之后在1995年保密期失效這項(xiàng)技術(shù)才獲得公開(kāi)，因此可以說(shuō)，金屬激光近凈成形技術(shù)是一項(xiàng)年齡尚淺的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)。全球申請(qǐng)一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，我們通過(guò)檢索獲得數(shù)據(jù)可以大概講此技術(shù)在國(guó)際上的技術(shù)發(fā)展上分為兩個(gè)部分——技術(shù)起始期和技術(shù)成長(zhǎng)期。

2.1 第一階段：（1999-2005年）

2005年之前，激光近凈成形基本技術(shù)成形期發(fā)展較快。由于該制備方法獲得的高性能金屬構(gòu)件對(duì)鐵合金高性能結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本的需要具有良好優(yōu)勢(shì)，使得獲得了一定的發(fā)展速度。其中，2001年，由英特爾公司在申請(qǐng)?zhí)枮閁520010961475A的專(zhuān)利技術(shù)中提出了將凈成形技術(shù)用于生產(chǎn)高精度的電容的技術(shù)方案，開(kāi)創(chuàng)了將該技術(shù)用于生產(chǎn)精密電子產(chǎn)品用途的先河，加工制造過(guò)程無(wú)需腐蝕金屬，生產(chǎn)的產(chǎn)品精度高。2003年，北京航空航天大學(xué)王華明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提出了激光近凈成形冷卻方法申請(qǐng)了專(zhuān)利（CN03119343A）。另外，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究就激光近凈成形的同軸送粉器申請(qǐng)了專(zhuān)利（CN200320131242），提出一種在激光工程化凈成形系統(tǒng)中用于金屬粉末的貯存、定量送給、均勻分割以及精確噴射的同軸送粉器。

2.2 第二階段：（2006年至今）

從2006年開(kāi)始，中國(guó)申請(qǐng)開(kāi)始大量增加，這其中包括北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中北大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等院校，也包括北京有色金屬研究總院等科研機(jī)構(gòu)，沈陽(yáng)大陸激光集團(tuán)作為這項(xiàng)技術(shù)的主要企業(yè)代表也貢獻(xiàn)了大量專(zhuān)利申請(qǐng)量。

2010年，在專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮閃02010CA01219的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)中將記憶合金用于近凈成形的材料，開(kāi)創(chuàng)了“4D打印”的增材制造時(shí)代，即加上了材料在特定環(huán)境下自我變形、自我恢復(fù)的維度。

首先，激光近凈成形相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在B22F（粉末冶金）和B23K（焊接和鍍覆）兩個(gè)領(lǐng)域，其申請(qǐng)量分別達(dá)到了20%和10%，可見(jiàn)，上述兩個(gè)領(lǐng)域是激光近凈成形研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，這是因?yàn)樵贐22F（粉末冶金）中包含子分類(lèi)B22F 3/00（由金屬粉末制造工件或制品，其特點(diǎn)為用壓實(shí)或燒結(jié)的方法），而B(niǎo)23K涉及對(duì)材料表面分層堆積成形的大量專(zhuān)利申請(qǐng)，也是增材制造的發(fā)起領(lǐng)域之一。

其次，B33Y（增材制造）、C23C（一般防積垢;非機(jī)械方法去除表面上的金屬材料;金屬材料的緩蝕）、C22C（合金）等分類(lèi)位置也分配得到了技術(shù)人員的大量精力;除這些領(lǐng)域外，在別處技術(shù)科技領(lǐng)域中的專(zhuān)利申請(qǐng)量占比為35%，由此，激光近凈成形所應(yīng)用或涉及的領(lǐng)域非常廣泛，正如其他增材制造技術(shù)一樣，其是一種多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，存在技術(shù)復(fù)雜，分支細(xì)密，且不容易進(jìn)行精確檢索的特點(diǎn)，同時(shí)，激光近凈成形技術(shù)因?yàn)榫哂猩鲜鼍哂屑夹g(shù)生命力的特點(diǎn)，其也必然具有廣闊的研究空間和應(yīng)用前景。

在激光近凈成形技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量的國(guó)別分布中，中國(guó)、美國(guó)、德意志、日本國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞占據(jù)排名的前六位，這里邊，美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)多分布在2005年以前，而我們國(guó)家的申請(qǐng)量多集中在2005年以后，還有，PCT國(guó)際申請(qǐng)占到了52項(xiàng)。激光近凈成形在世界各個(gè)國(guó)家的國(guó)防裝備以及航空航天系統(tǒng)的零部件生產(chǎn)中起到了巨大作用，無(wú)論是整體也好，還是局部采用，激光近凈成形技術(shù)都是非常利于解決例如鈦合金等難加工金屬材料的復(fù)雜成型，并基本解決了存貨和浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)于國(guó)防設(shè)備可以更精干、更節(jié)能，更安全。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在激光近凈成形技術(shù)的全球研究上，在近幾年，美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)慢慢停滯不前，同時(shí)以德國(guó)為首的歐洲以及我們的鄰國(guó)日本、韓國(guó)的研發(fā)和推廣在迅速跟進(jìn)，澳大利亞也專(zhuān)門(mén)為此項(xiàng)技術(shù)制訂了金屬激光近凈成形的路線(xiàn)規(guī)劃方針，韓國(guó)也出臺(tái)了專(zhuān)門(mén)扶持激光近凈成形制造機(jī)械開(kāi)發(fā)的政策，作為我們國(guó)家的技術(shù)創(chuàng)新主體，各企業(yè)以及高校，應(yīng)該抓住航空技術(shù)研發(fā)這個(gè)重要契機(jī)，抓緊時(shí)間突破技術(shù)壁壘，使我們國(guó)家的激光近凈成形技術(shù)再上新臺(tái)階，成為該項(xiàng)技術(shù)在世界上的先進(jìn)國(guó)家。