增材制造（AM）用铝合金及粉末生产的专利指标构建与技术格局分析

《World Patent Information》：Elaboration and analysis of patent indicators on powder production and aluminum alloys used in additive manufacturing

　　

增材制造（Additive Manufacturing, AM）用铝（Al）合金面临若干挑战，包括高反射率、易发生凝固裂纹（solidification cracking）以及缺陷形成。通过开发新合金成分和粉末生产技术进展，这些局限已逐步得到解决。在本研究中，研究人员利用Derwent Innovations Index（DII）数据库和VantagePoint软件等自然语言处理（Natural Language Processing, NLP）工具，分析了聚焦于粉末生产和增材制造用铝合金开发的专利指标，目的是绘制技术现状、技术趋势和战略主体图景。研究强调，虽然6xx和7xx系列等传统铝合金易发生凝固裂纹，但针对增材制造专门设计的改性合金成分日益受到关注，通常添加Ti、Zr和Sc以减少打印过程中的裂纹和缺陷形成。传统粉末生产方法，尤其是气雾化（gas atomization），由于高生产率和低成本，仍在商业上占主导地位。同时，超声雾化和离心雾化等替代技术仍具有相关性，因为它们能够生产形态质量更优、缺陷更少的粉末。中国已成为专利申请领先国家，公立大学推动新铝合金开发，而企业主要关注气雾化技术。因此，这项工作可能支持战略性研究与开发（Research and Development, R&D）决策，有助于识别创新空白并监测全球竞争。

一、研究背景与问题
近年来，增材制造（Additive Manufacturing, AM）显著提升了复杂金属构件的制造能力。铝合金因低密度、机械强度和热导率具有竞争优势，但制造缺陷会损害零件质量与强度，金属粉末流动性低也会阻碍沉积和打印。主流金属3D打印包括激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）和定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）。AlSi₁₀Mg因凝固区间小、凝固裂纹倾向低而广泛使用；AA7075、AA6061、AA5083等商业铝合金在LPBF中易裂，需改性。为提升力学性能和可加工性，Al-Mg-Sc-Zr等合金受到关注，Sc促进初生三铝化物（trialuminides）作为异质形核核心，细化并均匀化组织；Zr形成ZrAl₃沉淀，有助于晶粒细化和强度提高；外添加孕育剂（inoculants）可细化组织、降低裂纹敏感性并拓宽材料范围。粉末水分和粒径分布影响能量吸收与粉末固结，高反射率、高热导率和低流动性阻碍LPBF，需高激光功率；LPBF粉末粒径通常为10–60 μm，DED稍粗。粉末制备方法包括气雾化、等离子、水雾化和超声等。尽管已有大量铝合金AM综述，但几乎无基于专利的信息 prospecting，难以揭示技术现状、趋势、战略主体和创新空白，因此研究人员开展专利指标分析。

二、研究开展、结论与意义
研究人员以Derwent Innovations Index（DII）数据库和VantagePoint等NLP工具，构建检索协议，结合国际专利分类（International Patent Classification, IPC）代码与关键词，采用布尔OR进行召回扩展，随后进行标题/摘要筛选和全文资格核验，并用自动分类与人工核验的混合流程分析粉末生产和AM用铝合金开发的专利指标。研究旨在绘制技术现状、趋势和战略主体，识别创新空白并支持R&D决策和技术保护。结果显示相关专利自2016年以来显著增长，新合金成分和粉末生产技术共同演进；中国专利申请领先，公立大学推动新铝合金，企业聚焦气雾化。其意义在于支持战略R&D决策、识别创新空白并监测全球竞争。

三、关键技术方法（≤250字）
数据来源于DII数据库；铝合金新合金专利摘要检索于2024年中期，粉末生产专利摘要收集于2025年中期。采用检索、筛选、验证三阶段协议，结合IPC代码与关键词构建布尔检索式，并以OR进行召回扩展；筛选包括标题/摘要筛选和全文权利要求/说明书资格核验。使用VantagePoint进行NLP，将HTML记录转为TXT，构建合金家族、生产方法、国家和受让人分类词表，实施自动分类与定向人工核验，并用术语聚类（term clumping）提取高频术语。

四、研究结果
3.1 铝合金的特定专利指标
通过DII检索和NLP辅助分类，研究人员对AM用新铝合金专利摘要构建时间、合金家族、机构和国家指标。原文报告检索到292份文档（2024年中期提取）。申请量自2016年显著增长，原文指出该时间与Fraunhofer Institute for Laser Technology持有的WO1998024574A1专利于2016年12月到期重合，但明确不足以证明因果，仅作为可能促进因素而非已证明原因。合金家族中2XXX、4XXX、5XXX以及杂类合金（Miscellaneous alloys）专利较多；5XXX近年更多，原文认为其凝固裂纹倾向可能推动开发。杂类合金为不属1xx–7xx传统变形铝合金的特殊成分，因AM高冷却速率、大热梯度和热循环等要求而发展。机构指标显示多数专利由大学申请，且绝大多数为中国实体；公立大学表明开发仍主要国家资助；UNIV CENT SOUTH和UNIV SHANGHAI JIAOTONG领先，ARCONIC INC为公司第三。国别上中国1,900件，美国488件，加拿大161件，韩国157件，日本118件，德国83件；除中国外年度申请下降，中国近平台；原文提示需考虑公开滞后。

3.2 铝粉末生产的专利指标
通过粉末生产专利摘要（1020件，2025年中期收集）及NLP全文权利要求和人工核验，原文报告绝大多数涉及AM用Al粉末。非相关数据是挑战，仅用标题摘要不足，需全文和人工验证。时间指标显示2010–2020加速增长，2020–2024稳定。国别时间演化中中国、美国、韩国保持一定稳定性，中国最高，德国下降。技术方向上中国在所有粉末生产方法专利数更高，雾化（atomizing and gas atomizing）突出；只有中国、日本、韩国拥有包括超声雾化在内的所有粉末生产方法专利；Amazemet和ATO Lab的专利因描述通用、未明确铝及合金，按本方法无法过滤。机构上中国粉末生产专利多数（61.50%）为公司，与铝合金以大学为主相反。方法演化中超声雾化2019突出，气流喷雾和等离子雾化多数年份主导；超声到2019达峰后下降，离心雾化保持有限存在；成熟商业方法2020–2024下降，原文提示需考虑专利公开滞后。结论是指标可映射Al粉末生产AM专利的数量、技术方向和地理/机构分布。

五、讨论总结与研究结论翻译
原文讨论强调，专利指标能支持R&D和技术保护决策，识别创新空白并监测全球竞争；但专利分析受公开滞后影响，近期趋势需谨慎；检索中标题/摘要筛选会引入泛化记录，需结合全文权利要求与人工核验；Fraunhofer专利到期与申请增长时间重合不足以证明因果。结论翻译：专利指标分析显示，增材制造用铝合金及粉末生产工艺开发显著增长，尤其2016年以来，表明铝合金开发与粉末生产技术演化之间存在共生关系。突出的是杂类合金以及4xx和5xx系列，2018年达到较高发表水平并在历史序列中保持稳定；5xx家族尤其突出，在2022和2023超过其他。同时，气雾化等传统制造工艺通过平衡高生产率和低成本保持商业领先。此外，超声雾化（2019显著）和离心雾化等替代技术因其提供高形态质量和低缺陷粉末的潜力而持续存在，从而拓展创新视野。中国在专利申请中绝对领先，公立大学引领新合金创新，企业关注气雾化方法。这些结果为AM用铝合金开发和粉末生产方法领域的研究和技术保护战略方向提供支持。