深度塑性變形之?dāng)D壓專利技術(shù)綜述

張 燕

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

金屬塑性變形將有利于減小其內(nèi)部的晶粒尺寸，而且塑性應(yīng)變越大時效果越明顯，近幾十年來發(fā)展了一類新的變形工藝，即深度塑性變形（severe plastic deformation，SPD）技術(shù)，SPD技術(shù)具有強烈的晶粒細(xì)化能力，可以將材料內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米級乃至納米級，國際材料學(xué)界公認(rèn)為制備超細(xì)晶材料最有前途的方法之一，已成功用于制備純金屬、合金、金屬基復(fù)合材料等細(xì)晶材料。由于可以制備純凈、致密的塊體超細(xì)晶材料，SPD技術(shù)在近十幾年快速發(fā)展，應(yīng)用前景廣泛，從1999年開始每隔3年都要召開SPD技術(shù)國際年會以交流和報道該技術(shù)的最新進(jìn)展。

根據(jù)不同的變形方式，深度塑性變形技術(shù)包括高壓扭轉(zhuǎn)（High-pressure Torsion，HPT）、等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equal-channel Angular Extrusion/Pressing，ECAP/ECAE）、循環(huán)擠壓或往復(fù)擠 壓（Cyclic Extrusion Compression，CEC）、扭 曲 擠 壓（Twist extrusion，TE）等。

在深度塑性變形之?dāng)D壓的專利申請中，按照申請量從多到少依次為：轉(zhuǎn)角擠壓、扭曲擠壓、往復(fù)擠壓、摩擦擠壓，其中，轉(zhuǎn)角擠壓的申請量最為突出，占總申請量的74%，這主要是由于轉(zhuǎn)角擠壓的適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，對其進(jìn)行的研究和改進(jìn)的普適性強，其包括等徑角擠壓、非等徑角擠壓，等徑角擠壓還包括多向等徑角擠壓、多路等徑角擠壓以及連續(xù)等徑角擠壓等。摩擦擠壓最少，這主要是由于摩擦擠壓需要較高的壓力和轉(zhuǎn)矩，對設(shè)備的要求較高，普適性較差，另外，摩擦擠壓制備的塊體材料較小，無法滿足實際生產(chǎn)需要。

2 技術(shù)發(fā)展整體概況

2.1 專利申請概況

圖1示出了深度塑性變形之?dāng)D壓技術(shù)國內(nèi)外專利申請趨勢對比，從圖中可以看出，深度塑性變形技術(shù)在20世紀(jì)初并未出現(xiàn)，直到1943年BUDD WHEEL CO申請了第一例深度塑性變形的擠壓工藝，在此之后，國外申請量一直較少，直到20世紀(jì)90年代才逐漸興起，在21世紀(jì)初的幾年內(nèi)達(dá)到申請高峰，隨后申請量逐漸降低，可見在國外該技術(shù)逐漸不被重視；在中國，由于中國的專利法實施時間較晚，且國內(nèi)技術(shù)與國外相比，發(fā)展較晚，直到20世紀(jì)90年代才開始出現(xiàn)該技術(shù)，21世紀(jì)迅速發(fā)展，在2010之后，該項技術(shù)在中國申請量遠(yuǎn)超過國外，在2016年申請量達(dá)到最高峰。

圖1 深度塑性變形之?dāng)D壓技術(shù)國內(nèi)外專利申請趨勢對比

2.2 國外專利申請情況

圖2 國外申請各國的申請量分布

圖2 示出了國外申請各國的申請量分布，其中，JP代表日本，US代表美國，KR代表韓國，RU代表俄羅斯聯(lián)邦。從圖中可以看出，國外的專利申請中，日本的申請最多，其次的美國、韓國，可見日本在深度塑性變形的擠壓技術(shù)中占了很重的分量，實際上，日本在金屬加工領(lǐng)域的各種技術(shù)基本均處于領(lǐng)先地位，因此，日本的申請量最大。其次，美國、韓國的申請也較多，從側(cè)面反映出美國、韓國的金屬制造業(yè)注重提高材料的性能。另外，出現(xiàn)了一些申請量很小的國家。

圖3 各個時期主要申請國的申請量對比圖

深度塑性變形之?dāng)D壓技術(shù)國外專利申請趨勢，大致可分為四個時期。圖3示出了各個時期主要申請過的申請量。

（1）萌芽期（1993年之前），幾十年間的申請分散，隔幾年或者隔數(shù)十年才有申請，美國的技術(shù)發(fā)展處于絕對領(lǐng)先地位。

（2）平穩(wěn)增長期（1994年～1999年），在這一時期，韓國的技術(shù)還沒有興起，日本的申請量最多，占到接近六成的比例，其次是美國，占到接近四分之一的比例，其他國家的申請較少。這主要是因為日、美均為工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)國家，對擠壓理論的研究實力雄厚，在金屬加工領(lǐng)域的技術(shù)始終處于領(lǐng)先地位，且日、美的工業(yè)發(fā)展對材料的性能的要求高，促使兩國的研究人員不斷改進(jìn)工藝提高材料的性能。

（3）快速增長期（2000年～2006年），關(guān)于深度塑性變形擠壓技術(shù)的申請數(shù)量如雨后春筍一般快速增長，可謂是該技術(shù)發(fā)展的黃金時期。這主要是由于在該時期，一些發(fā)達(dá)國家的工業(yè)技術(shù)非常發(fā)達(dá)，同時其他后起的國家的技術(shù)力量也相當(dāng)雄厚，很多國家對該技術(shù)的改進(jìn)和研究也日趨增多，在這一時期，韓國的技術(shù)迅速興起，躍居到第二位，日本的申請量仍舊最多，申請量達(dá)到了40%，其次是韓國，申請量達(dá)到了21%，然后是美國，申請量占了15%，其他國家的申請較少。這一時期，韓國的深度塑性變形之?dāng)D壓技術(shù)迅速發(fā)展，可見韓國對材料的性能的要求提高。隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，日、韓、美作為汽車生產(chǎn)大國，在深度塑性變形方面的技術(shù)也隨之發(fā)展，申請量也迅速發(fā)展，其他國家也開始提出申請，但申請量較小。

（4）成熟期（2007年至今），在申請量迅速增長之后，深度塑性變形擠壓技術(shù)的專利申請量達(dá)到了穩(wěn)定，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也到了成熟期，在該時期，人們對擠壓技術(shù)進(jìn)行多方面的嘗試和進(jìn)一步優(yōu)化，同時注重了對具體材料的擠壓加工的優(yōu)化，以及采用擠壓方法生產(chǎn)具體的產(chǎn)品。這一時期申請的國家多，各個國家都在該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行申請，說明各國都在注重材料性能的提高。這一時期，俄羅斯的申請居多，占總量的27%，其次的韓國、日本、美國，這一時期，日本、美國的申請的比重有所降低，這可能是由于前一時期申請高峰過后，該技術(shù)在日、美發(fā)展成熟，申請量呈降低的趨勢。

2.3 國內(nèi)專利申請情況

圖4示出了關(guān)于深度塑性變形的擠壓技術(shù)的中國專利申請趨勢，從該圖可以看出，國內(nèi)的深度塑性變形的擠壓技術(shù)的專利申請起步較晚，2000年以后才開始有關(guān)該技術(shù)的專利申請，從2000年申請大致可以分為兩個時期，第一時期為2000年～2012年，第二時期為2013年至今。前期的申請較少，在國外申請量急劇增長的時期，國內(nèi)的申請很少，國外申請量減少的時期，國內(nèi)的申請迅速增長，總體呈現(xiàn)增長的趨勢，這主要是因為國外的金屬制造業(yè)水平較為先進(jìn)，在國外興起的金屬成形技術(shù)，在國外的發(fā)展往往較晚，主要由高校以及研究院所進(jìn)行研究，并進(jìn)行專利申請，實際的工業(yè)應(yīng)用較少。另外一方面是國內(nèi)對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)意識增強，國家對專利的普及與推廣，對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)進(jìn)行大力支持，導(dǎo)致申請量增長明顯。

圖4 深度塑性變形之?dāng)D壓技術(shù)在中國的專利申請趨勢

在采用深度塑性變形擠壓領(lǐng)域申請量較大的幾乎全為高校申請，企業(yè)申請較少，排名靠前的申請人中沒有個人申請，主要是因為該領(lǐng)域的技術(shù)由國外傳到國內(nèi)，大多處于研究階段，應(yīng)用于生產(chǎn)的較少。

申請量較大的申請人中，基本為高校申請，其主要針對多種深度塑性變形的擠壓工藝進(jìn)行組合、改進(jìn)，以獲得超細(xì)晶產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的性能，另一方面，高校申請善于將新興技術(shù)與已有的技術(shù)相結(jié)合，例如，將超聲振動、電致塑性與擠壓技術(shù)結(jié)合，以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高材料性能。另外，高校申請有一個特點，針對某一方面的發(fā)明，專利申請經(jīng)常為一系列的相關(guān)申請，這也是導(dǎo)致高校申請數(shù)量較多的原因之一。

3 總結(jié)

從國外深度塑性變形之?dāng)D壓的專利技術(shù)發(fā)展來看，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，申請量逐漸減少，國內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，在21世紀(jì)才迅速發(fā)展。由于國外的相應(yīng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，因此，國內(nèi)申請人應(yīng)當(dāng)多借鑒國外的各種先進(jìn)技術(shù)，在國外技術(shù)的基礎(chǔ)上加強自主研發(fā)以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，尤其對于難于細(xì)化晶粒的材質(zhì)，提高生產(chǎn)效率以及材料的性能，另外還可以在擠壓參數(shù)、具體工藝方面進(jìn)一步優(yōu)化。