金属材料的搅拌摩擦焊接与加工基础研究

项目名称: 金属材料的搅拌摩擦焊接与加工基础研究 一、推荐单位意见 推荐意见：

该项目围绕搅拌摩擦焊接与加工中的材料流动、组织细化、第二相破碎溶解等基础科学问题展开研究，建立了焊接工具设计和工艺参数优化的指导准则，为接头组织和性能的有效调控和预测提供了理论依据。相关研究为该技术在我国的工业化应用提供了理论和技术支持，并丰富了经典的金属材料热加工理论。项目取得了大量具有原创性的研究成果，获得国内外同行的高度评价和广泛引证。2004年-2014年间，相关研究成果共发表SCI论文128篇，在该领域国际排名第一，被SCI他引4437次，其中8篇代表性论文被SCI他引624次。三次应邀为国际著名材料期刊撰写综述论文，其中发表在Materials Science & Engineering-Reports上的长篇特邀综述论文“Friction stir welding and processing”是该期刊排名第二的热点论文，并在2009年《科学观察》杂志社统计的“2004-2008年工程技术领域研究论文中引用数最多的中国学者论文”中排名第7。发表在Scripta Materialia上的镁合金搅拌摩擦加工的论文被评选为2007年“中国百篇最具影响国际学术论文”，并荣获该期刊2007-2011年最高引用奖。这些成果奠定了该方向的国际学术地位，在第十届国际搅拌摩擦焊研讨会上仅设四个大会报告，马宗义荣膺之一。马宗义荣获中国搅拌摩擦焊中心颁发的突出贡献奖，并于2016年倡导并成功主办了“第一届全国搅拌摩擦焊接与加工学术会议”，并确立了两年一次的系列办会模式。该项目获评2016年辽宁省自然科学一等奖。 对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目为国家自然科学奖 二 等奖。 二、项目简介 （限1200字） 搅拌摩擦焊（FSW）具有优质、高效、低耗、环保等特点，被誉为“世界焊接史上的第二次革命”，由此衍生的搅拌摩擦加工（FSP）技术，可实现材料组织重构、可控制备及缺陷修复。FSW/FSP特有的热、机过程，使接头/加工区组织具有独特性、多样性，深入理解其本质是推动其应用与发展的基础。 本项目深入研究了材料流变、组织演化和元素加速扩散/反应的机制，阐明了影响接头/加工区组织与力学行为的关键因素，并发展了FSP改性与材料合成新技术。相关成果受到国际同行高度评价和权威出版物广泛引证，并获得工业界的认可。2004年-2014年期间，第一完成人马宗义共发表相关SCI论文128篇，在该领域国际排名第一，SCI他引4437次，其中8篇代表性论文被SCI他引624次，包括一篇“2004-2008年工程技术领域研究论文中引用数最多的中国学者论文”。 重要科学发现、科学价值如下： （1）突破材料流动不可见难题，精确再现流动行为，建立了可靠的焊核区典型特征微观结构定量预测方法。圆满解释了铝合金焊核区微观结构和硬度的不均匀性及“第二相偏析带”和“S线”的起因（Acta Mater, 2009, SCI引用38次）。多国学者以此模型研究接头微观不均匀性及其对性能影响，研究成果为高速列车铝合金车体制造提供了指导。 （2）阐明影响沉淀强化铝合金FSW接头性能的关键因素。首次建立高精度的非线性瞬态三维温度场模型，结合硬度分布与微观结构特征建立了热源区-等温溶解层模型。指出高温停留时间决定沉淀相的溶解/粗化程度，阐明焊速控制接头拉伸强度的本质原因（Scripta Mater, 2007, SCI引用100次）。该结果被广泛引证，并用于指导重大装备制造。 （3）建立了不改变铸件尺寸和形状的“FSP（+ 时效）”革新工艺。铸件组织显著细化、均匀化和致密化，力学、耐蚀等性能明显提高。同时阐明了FSP过程中元素快速扩散机理，对于非均质金属材料改性和原位反应合成具有普遍指导意义。一篇论文（Scripta Mater, 2007, SCI引用114次）被评为2007年“中国百篇最具影响国际学术论文”，应邀为Scripta Mater撰写Viewpoint论文（2008，SCI引用91次）。 （4）以FSP实现了纳米铝基复合材料的可控制备，实现了碳纳米管的低损伤高效分散，充分体现其强化作用并量化了各强化机制贡献（Carbon, 2013, SCI引用22次），并在国内首次批量应用，被推荐为973计划项目重大研究成果。利用FSP激活原位反应，制备出原位Al2O3和Al3Ti纳米粒子增强铝复合材料（Acta Mater, 2012, SCI引用28次），阐明其形成为变形辅助的界面反应和溶解-析出机制。这些结果推动了纳米复合材料设计与制备理论的发展。 （5）针对异种金属物化特性差异巨大所导致的焊接难题，建立了自主知识产权的异种金属FSW工艺（获2项发明专利），实现了Al-Cu（Mater Sci Eng A, 2011, SCI引用73次）、Al-非晶合金的高质量连接，阐明了界面结构与接头性能的内在作用机制。研究结果为企业解决了Al-Cu厚板焊接的技术难题。 （6）利用FSP制备出理想的超细晶模型材料，揭示了超细晶材料的本征力学行为特征，澄清了疲劳及超塑性机制，并构建了新的超塑性本构方程（Acta Mater，2010，SCI引用49次）。应邀为Metall Mater Trans A撰写了FSP的综述论文（2008, SCI引用274次）。 三、客观评价 本研究在依托的国家863、973计划、国家自然科学基金等项目验收中获得好评，并在中科院“百人计划”、国家杰出青年基金验收时获评优秀。主要研究内容取得多项“创新性较为突出”的成果。其中FSP制备铝基复合材料被评为“成功的探索”，铸造铝合金FSP“得到应用”，并“可望在工件修复方面得到应用”。FSP制备纳米复合材料的研究成果被国家973计划项目“碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究”推荐为项目的重大研究成果；材料流动的研究成果获得中车集团长春轨道客车公司的高度评价并用于指导生产。 项目组自2004年在国内开展FSW/FSP基础研究，短时间内使我国 “在国际上开始有了一定的发言权”。近年来马宗义在国际会议上做邀请报告十余次，尤其是2014年在第十届国际FSW会议上应邀做仅有的四个大会报告之一，提高了我国的学术地位。在中国搅拌摩擦焊中心成立10周年之际，马宗义获“搅拌摩擦焊技术应用突出贡献奖”。 于2016年发起并主办了“第一届全国搅拌摩擦焊接与加工学术会议”，获得完满成功。 邀为Mater Sci Eng R、Metall Mater Trans A、Scripta Mater等国际著名期刊撰写了综述论文。马宗义执笔发表在Mater Sci Eng R上的长篇特邀综述“Friction stir welding and processing”获得国际同行高度评价：“An excellent state-of-the-art review of FSW technology (Weld J 2006; 85: 28-35)”，是该期刊排名第二的热点论文，在2004-2008年“中国热点论文榜”工程领域排名第7。另外发表在Scripta Mater上的一篇文章还获“中国百篇最具影响国际学术论文”与“Top Cited”奖。2004年-2014年期间，相关研究结果共发表相关SCI论文128篇，据Web of Science统计在该领域国际排名第一，SCI他引4437次，其中8篇代表性论文被SCI他引624次， 本项目的重要科学发现和相关技术成果被国际同行在公开发表的论文及专著中广泛引证和评述，代表性评价如下： 1．国际同行发表论文的代表性评价 代表论文1被SCI他引91次，本领域著名学者、FSP创始人R.S. Mishra教授在其与通用汽车公司的合作研究中，将我们的工作列为镁合金FSP典型代表。代表性引用评述如下：“Presently, research on FSP of magnesium alloy …(summarized in Table 1) [7-15]”(J Mater Sci 2015; 50: 3212)。 代表论文2、5被SCI论文他引69次，R.S. Mishra教授采用我们的理论分析他们的实验结果：“In another study on UFG AA5083 produced by FSP,..... fine grain regime of 1-10 μm rather than in the UFG regime.” (Mater Sci Eng A 2010; 527: 5246)。 代表论文3被SCI他引90次，所提出的热源区-等温溶解层模型被绝大多数学者所证实，其中，我们的研究结果为意大利马尔可理工大学M. Carbibbo博士与葡萄牙科英布拉大学A. Loureiro教授的研究提供了方向性指导：“Ren et al. [19] and Feng et al. [20] reported that ...…” (Mater Design 2016; 93: 146)。 代表论文4被SCI他引72次，Al/Cu异种金属FSW中提出的界面化合物薄层决定性能的观点受到国内外学者的高度评价，典型评价如下：“Xue et al. also reported the effect of tool ....” (Metall Mater Trans A 2012; 43: 5096)；“ Xue et al. (2011) concluded that sound .......”; “Xue et al. (2011) investigated that the stacking layered ......”; “Low welding temperature may also lead ...... (Xue et al., 2011).” (J Mater Process Technol 2015; 223: 48)。 代表论文6、7被SCI他引46次，国内外众多学者借鉴我们的结果解释碳纳米管损伤与强化机制以及机械激活作用等若干科学问题。著名学者香港城市大学S.C. Tjong教授在Mater Sci Eng R（2013，74：281）撰写的碳纳米管/石墨烯金属基复合材料长篇综述大篇幅正面引用了上述工作，评价如下： “Liu et al. fabricated MWNT/AA2009 composites ......”; “Liu et al. employed friction stir processing to fabricate MWNT/ AA2009 .....” (Mater Sci Eng R, 2013; 74: 281)。 2．出版专著的代表性评价 R.S. Mishra教授、P.S. De教授和N. Kumar教授共同出版了专著Friction Stir Welding and Processing – Science and Engineering ( Springer Int. Publishing, 2014)，其中在铸件FSP改性（59-60页）、镁合金FSW接头断裂行为（177-179）、FSP超细晶铝合金力学行为（264-265，291页）等相关章节多次引用了我们的研究结果，以体现FSP作为塑性加工手段在铸件改性、超塑成形方面的优势。 R.S. Mishra教授还主编出版了搅拌摩擦焊接与加工系列丛书（Friction Stir Welding and Processing Book Series），对过去20年来本领域的重要研究成果进行了汇总与评述，现已出版5本英文系列专著。鉴于我们在FSP细晶组织超塑性研究方面积累的大量成果和同行的广泛好评，马宗义应邀执笔撰写了系列专著：Friction Stir Superplasticity for Unitized Structures, Zongyi Ma, Rajiv S. Mishra, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2014。 关于铸件FSP的专著（S. Jana, R.S. Mishra, G.J. Grant, Friction Stir Casting Modification for Enhanced Structural Efficiency, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2016）中主要以我们的研究结果作为经典案例介绍了铸件FSP过程的微观组织演变与力学行为特征，有11幅图、10个表格引自我们（全书65幅图、20个表格），充分肯定了我们在本研究方向所做出的突出贡献（7-12，24-26，29-43页）。 关于异种合金的FSW专著（Nilesh Kumar, Wei Yuan, Rajiv S. Mishra, Friction Stir Welding of Dissimilar Alloys and Materials, Butterworth- Heinemann, Elsevier Inc. 2015）大篇幅引用了我们异种金属FSW的相关研究结果，主要以我们的研究（4幅图，本节共7幅结果图）为例介绍了Al-Cu异种金属FSW的相关内容（85-91页）。