項目名稱金屬材料的攪拌摩擦焊接與加工基礎(chǔ)研究

1、項目名稱: 金屬材料的攪拌摩擦焊接與加工基礎(chǔ)研究一、推薦單位意見推薦意見： 該項目圍繞攪拌摩擦焊接與加工中的材料流動、組織細化、第二相破碎溶解等基礎(chǔ)科學(xué)問題展開研究，建立了焊接工具設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化的指導(dǎo)準則，為接頭組織和性能的有效調(diào)控和預(yù)測提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究為該技術(shù)在我國的工業(yè)化應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持，并豐富了經(jīng)典的金屬材料熱加工理論。項目取得了大量具有原創(chuàng)性的研究成果，獲得國內(nèi)外同行的高度評價和廣泛引證。2004年-2014年間，相關(guān)研究成果共發(fā)表SCI論文128篇，在該領(lǐng)域國際排名第一，被SCI他引4437次，其中8篇代表性論文被SCI他引624次。三次應(yīng)邀為國際著名材料期刊撰寫

2、綜述論文，其中發(fā)表在Materials Science & Engineering-Reports上的長篇特邀綜述論文“Friction stir welding and processing”是該期刊排名第二的熱點論文，并在2009年科學(xué)觀察雜志社統(tǒng)計的“2004-2008年工程技術(shù)領(lǐng)域研究論文中引用數(shù)最多的中國學(xué)者論文”中排名第7。發(fā)表在Scripta Materialia上的鎂合金攪拌摩擦加工的論文被評選為2007年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”，并榮獲該期刊2007-2011年最高引用獎。這些成果奠定了該方向的國際學(xué)術(shù)地位，在第十屆國際攪拌摩擦焊研討會上僅設(shè)四個大會報告，馬宗義榮膺之

3、一。馬宗義榮獲中國攪拌摩擦焊中心頒發(fā)的突出貢獻獎，并于2016年倡導(dǎo)并成功主辦了“第一屆全國攪拌摩擦焊接與加工學(xué)術(shù)會議”，并確立了兩年一次的系列辦會模式。該項目獲評2016年遼寧省自然科學(xué)一等獎。對照國家自然科學(xué)獎授獎條件，推薦該項目為國家自然科學(xué)獎 二 等獎。二、項目簡介（限1200字）攪拌摩擦焊（FSW）具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、環(huán)保等特點，被譽為“世界焊接史上的第二次革命”，由此衍生的攪拌摩擦加工（FSP）技術(shù)，可實現(xiàn)材料組織重構(gòu)、可控制備及缺陷修復(fù)。FSW/FSP特有的熱、機過程，使接頭/加工區(qū)組織具有獨特性、多樣性，深入理解其本質(zhì)是推動其應(yīng)用與發(fā)展的基礎(chǔ)。本項目深入研究了材料流變、組織演

4、化和元素加速擴散/反應(yīng)的機制，闡明了影響接頭/加工區(qū)組織與力學(xué)行為的關(guān)鍵因素，并發(fā)展了FSP改性與材料合成新技術(shù)。相關(guān)成果受到國際同行高度評價和權(quán)威出版物廣泛引證，并獲得工業(yè)界的認可。2004年-2014年期間，第一完成人馬宗義共發(fā)表相關(guān)SCI論文128篇，在該領(lǐng)域國際排名第一，SCI他引4437次，其中8篇代表性論文被SCI他引624次，包括一篇“2004-2008年工程技術(shù)領(lǐng)域研究論文中引用數(shù)最多的中國學(xué)者論文”。重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)價值如下：突破材料流動不可見難題，精確再現(xiàn)流動行為，建立了可靠的焊核區(qū)典型特征微觀結(jié)構(gòu)定量預(yù)測方法。圓滿解釋了鋁合金焊核區(qū)微觀結(jié)構(gòu)和硬度的不均勻性及“第二相偏析

5、帶”和“S線”的起因（Acta Mater, 2009, SCI引用38次）。多國學(xué)者以此模型研究接頭微觀不均勻性及其對性能影響，研究成果為高速列車鋁合金車體制造提供了指導(dǎo)。闡明影響沉淀強化鋁合金FSW接頭性能的關(guān)鍵因素。首次建立高精度的非線性瞬態(tài)三維溫度場模型，結(jié)合硬度分布與微觀結(jié)構(gòu)特征建立了熱源區(qū)-等溫溶解層模型。指出高溫停留時間決定沉淀相的溶解/粗化程度，闡明焊速控制接頭拉伸強度的本質(zhì)原因（Scripta Mater, 2007, SCI引用100次）。該結(jié)果被廣泛引證，并用于指導(dǎo)重大裝備制造。建立了不改變鑄件尺寸和形狀的“FSP（+ 時效）”革新工藝。鑄件組織顯著細化、均勻化和致密化，

6、力學(xué)、耐蝕等性能明顯提高。同時闡明了FSP過程中元素快速擴散機理，對于非均質(zhì)金屬材料改性和原位反應(yīng)合成具有普遍指導(dǎo)意義。一篇論文（Scripta Mater, 2007, SCI引用114次）被評為2007年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”，應(yīng)邀為Scripta Mater撰寫Viewpoint論文（2008，SCI引用91次）。以FSP實現(xiàn)了納米鋁基復(fù)合材料的可控制備，實現(xiàn)了碳納米管的低損傷高效分散，充分體現(xiàn)其強化作用并量化了各強化機制貢獻（Carbon, 2013, SCI引用22次），并在國內(nèi)首次批量應(yīng)用，被推薦為973計劃項目重大研究成果。利用FSP激活原位反應(yīng)，制備出原位Al2O3和

7、Al3Ti納米粒子增強鋁復(fù)合材料（Acta Mater, 2012, SCI引用28次），闡明其形成為變形輔助的界面反應(yīng)和溶解-析出機制。這些結(jié)果推動了納米復(fù)合材料設(shè)計與制備理論的發(fā)展。針對異種金屬物化特性差異巨大所導(dǎo)致的焊接難題，建立了自主知識產(chǎn)權(quán)的異種金屬FSW工藝（獲2項發(fā)明專利），實現(xiàn)了Al-Cu（Mater Sci Eng A, 2011, SCI引用73次）、Al-非晶合金的高質(zhì)量連接，闡明了界面結(jié)構(gòu)與接頭性能的內(nèi)在作用機制。研究結(jié)果為企業(yè)解決了Al-Cu厚板焊接的技術(shù)難題。利用FSP制備出理想的超細晶模型材料，揭示了超細晶材料的本征力學(xué)行為特征，澄清了疲勞及超塑性機制，并構(gòu)建了新

8、的超塑性本構(gòu)方程（Acta Mater，2010，SCI引用49次）。應(yīng)邀為Metall Mater Trans A撰寫了FSP的綜述論文（2008, SCI引用274次）。三、客觀評價本研究在依托的國家863、973計劃、國家自然科學(xué)基金等項目驗收中獲得好評，并在中科院“百人計劃”、國家杰出青年基金驗收時獲評優(yōu)秀。主要研究內(nèi)容取得多項“創(chuàng)新性較為突出”的成果。其中FSP制備鋁基復(fù)合材料被評為“成功的探索”，鑄造鋁合金FSP“得到應(yīng)用”，并“可望在工件修復(fù)方面得到應(yīng)用”。FSP制備納米復(fù)合材料的研究成果被國家973計劃項目“碳納米管的可控制備方法及規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”推薦為項目的重大研究成果

9、；材料流動的研究成果獲得中車集團長春軌道客車公司的高度評價并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。項目組自2004年在國內(nèi)開展FSW/FSP基礎(chǔ)研究，短時間內(nèi)使我國 “在國際上開始有了一定的發(fā)言權(quán)”。近年來馬宗義在國際會議上做邀請報告十余次，尤其是2014年在第十屆國際FSW會議上應(yīng)邀做僅有的四個大會報告之一，提高了我國的學(xué)術(shù)地位。在中國攪拌摩擦焊中心成立10周年之際，馬宗義獲“攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用突出貢獻獎”。 于2016年發(fā)起并主辦了“第一屆全國攪拌摩擦焊接與加工學(xué)術(shù)會議”，獲得完滿成功。邀為Mater Sci Eng R、Metall Mater Trans A、Scripta Mater等國際著名期刊撰寫了綜述

10、論文。馬宗義執(zhí)筆發(fā)表在Mater Sci Eng R上的長篇特邀綜述“Friction stir welding and processing”獲得國際同行高度評價：“An excellent state-of-the-art review of FSW technology (Weld J 2006; 85: 28-35)”，是該期刊排名第二的熱點論文，在2004-2008年“中國熱點論文榜”工程領(lǐng)域排名第7。另外發(fā)表在Scripta Mater上的一篇文章還獲“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”與“Top Cited”獎。2004年-2014年期間，相關(guān)研究結(jié)果共發(fā)表相關(guān)SCI論文128篇，據(jù)

11、Web of Science統(tǒng)計在該領(lǐng)域國際排名第一，SCI他引4437次，其中8篇代表性論文被SCI他引624次，本項目的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)成果被國際同行在公開發(fā)表的論文及專著中廣泛引證和評述，代表性評價如下：1國際同行發(fā)表論文的代表性評價代表論文1被SCI他引91次，本領(lǐng)域著名學(xué)者、FSP創(chuàng)始人R.S. Mishra教授在其與通用汽車公司的合作研究中，將我們的工作列為鎂合金FSP典型代表。代表性引用評述如下：“Presently, research on FSP of magnesium alloy (summarized in Table 1) 7-15”(J Mater Sci 2

12、015; 50: 3212)。代表論文2、5被SCI論文他引69次，R.S. Mishra教授采用我們的理論分析他們的實驗結(jié)果：“In another study on UFG AA5083 produced by FSP,. fine grain regime of 1-10 m rather than in the UFG regime.” (Mater Sci Eng A 2010; 527: 5246)。代表論文3被SCI他引90次，所提出的熱源區(qū)-等溫溶解層模型被絕大多數(shù)學(xué)者所證實，其中，我們的研究結(jié)果為意大利馬爾可理工大學(xué)M. Carbibbo博士與葡萄牙科英布拉大學(xué)A. Lour

13、eiro教授的研究提供了方向性指導(dǎo)：“Ren et al. 19 and Feng et al. 20 reported that .” (Mater Design 2016; 93: 146)。代表論文4被SCI他引72次，Al/Cu異種金屬FSW中提出的界面化合物薄層決定性能的觀點受到國內(nèi)外學(xué)者的高度評價，典型評價如下：“Xue et al. also reported the effect of tool .” (Metall Mater Trans A 2012; 43: 5096)；“ Xue et al. (2011) concluded that sound .”; “Xue e

14、t al. (2011) investigated that the stacking layered .”; “Low welding temperature may also lead . (Xue et al., 2011).” (J Mater Process Technol 2015; 223: 48)。代表論文6、7被SCI他引46次，國內(nèi)外眾多學(xué)者借鑒我們的結(jié)果解釋碳納米管損傷與強化機制以及機械激活作用等若干科學(xué)問題。著名學(xué)者香港城市大學(xué)S.C. Tjong教授在Mater Sci Eng R（2013，74：281）撰寫的碳納米管/石墨烯金屬基復(fù)合材料長篇綜述大篇幅正面引用了上

15、述工作，評價如下： “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出版專著的代表性評價R.S. Mishra教授、P.S. De教授和N. Kumar教授共同出版了專著Friction Stir Welding and Processing Science and Engineering ( Springer Int. Pub

16、lishing, 2014)，其中在鑄件FSP改性（59-60頁）、鎂合金FSW接頭斷裂行為（177-179）、FSP超細晶鋁合金力學(xué)行為（264-265，291頁）等相關(guān)章節(jié)多次引用了我們的研究結(jié)果，以體現(xiàn)FSP作為塑性加工手段在鑄件改性、超塑成形方面的優(yōu)勢。R.S. Mishra教授還主編出版了攪拌摩擦焊接與加工系列叢書（Friction Stir Welding and Processing Book Series），對過去20年來本領(lǐng)域的重要研究成果進行了匯總與評述，現(xiàn)已出版5本英文系列專著。鑒于我們在FSP細晶組織超塑性研究方面積累的大量成果和同行的廣泛好評，馬宗義應(yīng)邀執(zhí)筆撰寫了系列

17、專著：Friction Stir Superplasticity for Unitized Structures, Zongyi Ma, Rajiv S. Mishra, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2014。關(guān)于鑄件FSP的專著（S. Jana, R.S. Mishra, G.J. Grant, Friction Stir Casting Modification for Enhanced Structural Efficiency, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2016）中主要以我們的研究結(jié)果作為經(jīng)

18、典案例介紹了鑄件FSP過程的微觀組織演變與力學(xué)行為特征，有11幅圖、10個表格引自我們（全書65幅圖、20個表格），充分肯定了我們在本研究方向所做出的突出貢獻（7-12，24-26，29-43頁）。關(guān)于異種合金的FSW專著（Nilesh Kumar, Wei Yuan, Rajiv S. Mishra, Friction Stir Welding of Dissimilar Alloys and Materials, Butterworth- Heinemann, Elsevier Inc. 2015）大篇幅引用了我們異種金屬FSW的相關(guān)研究結(jié)果，主要以我們的研究（4幅圖，本節(jié)共7幅結(jié)果圖）為

19、例介紹了Al-Cu異種金屬FSW的相關(guān)內(nèi)容（85-91頁）。四、代表性論文專著目錄序號論文專著名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼（xx年xx卷xx頁）發(fā)表時間年月 日通訊作者第一作者國內(nèi)作者SCI他引次數(shù)他引總次數(shù)知識產(chǎn)權(quán)是否歸國內(nèi)所有1Enhanced mechanical properties of Mg-Al-Zn cast alloy via friction stir processing/Scripta Mater. A.H. Feng, Z.Y. Ma3.22456, 5 (2007) 397-4002007.3.1馬宗義馮艾寒馮艾寒，馬宗義9199是2The origin of

20、non-uniform microstructure and its effects on the mechanical properties of a friction stir processed Al-Mg alloy/Acta Mater./ G.R. Cui, Z.Y. Ma, S.X. Li,4.46557, 19 (2009) 5718-57292009.11.1馬宗義崔國榮崔國榮，馬宗義，李守新3337是3Effect of welding parameters on tensile properties and fracture behavior of friction st

21、ir welded Al-Mg-Si alloy/ Scripta Mater. /S.R. Ren, Z.Y. Ma, L.Q. Chen3.22456, 1 (2007) 69-722007.1.1馬宗義任淑榮任淑榮，馬宗義，陳禮清9093是4Effect of friction stir welding parameters on the microstructure and mechanical properties of the dissimilar Al-Cu joints/Mater. Sci. Eng. A/P. Xue, D.R. Ni, D. Wang, B.L. Xiao

22、, Z.Y. Ma2.567528, 13-14 (2011) 4683-46892011.5.24馬宗義薛鵬薛鵬，倪丁瑞，王東，肖伯律，馬宗義7276是5Superplastic deformation mechanism of an ultrafine-grained aluminum alloy produced by friction stir processing/Acta Mater./Z.Y. Ma, F.C. Liu, R.S. Mishra4.46558, 14 (2010) 4693-47042010.8.1馬宗義馬宗義馬宗義，劉峰超3640是6Reactive mecha

23、nism and mechanical properties of in situ composites fabricated from an Al-TiO2 system by friction stir processing/Acta Mater./Q. Zhang, B.L. Xiao, W.G. Wang, Z.Y. Ma4.46560, 20 (2012) 7090-70132012.12.1馬宗義張琪張琪，肖伯律，王文廣，馬宗義2729是7Developing high-performance aluminum matrix composites with directionall

24、y aligned carbon nanotubes by combining friction stir processing and subsequent rolling /Carbon/Z.Y. Liu, B.L Xiao, W.G. Wang, Z.Y. Ma6.19662 (2013) 35-422013.10.1馬宗義劉振宇劉振宇，肖伯律，王文廣，馬宗義1922是8Friction stir processing technology: a review/Metall. Mater. Trans. A /Z.Y. Ma1.73039A, 3 (2008) 642-6582008.3

25、.1馬宗義馬宗義馬宗義256283是合 計624679五、主要完成人情況表姓 名馬宗義排 名第一行政職務(wù)無技術(shù)職稱研究員工作單位中國科學(xué)院金屬研究所完成單位中國科學(xué)院金屬研究所對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻：負責項目的總體設(shè)計和運行。在各項科學(xué)發(fā)現(xiàn)中做出創(chuàng)造性貢獻：量化了FSW/FSP工藝與特異性組織關(guān)系，由此闡明鋁合金接頭變形與斷裂行為；闡明影響沉淀強化鋁合金FSW接頭性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)及作用機制；建立了鑄造合金FSP強化改性新工藝；取得異種材料的高強度FSW；突破納米復(fù)合材料可控制備的瓶頸；實現(xiàn)超細晶材料制備，獲得優(yōu)異力學(xué)性能與超塑性變形能力。是所有代表性論文的通訊作者，第5篇文章的第一作者，第8篇

26、文章的唯一作者。姓 名倪丁瑞排 名第二行政職務(wù)無技術(shù)職稱副研究員工作單位中國科學(xué)院金屬研究所完成單位中國科學(xué)院金屬研究所對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻：參與了項目的總體運行以及主體實驗工作。利用FSP對晶粒細化與共晶相固溶作用，大幅提升了鑄造高鋁鎂合金的拉伸性能和疲勞性能，并闡明顆粒細化與固溶強化延緩疲勞裂紋形核的主要原因；利用FSP的致密化作用消除了鎳鋁青銅的鑄造缺陷，顯著提升了合金的耐腐蝕性；通過偏置工具實現(xiàn)鋁、銅異種合金在FSW時的均勻流變，突破了鋁銅異種金屬連接。是第4篇代表性文章的作者。姓 名肖伯律排 名第三行政職務(wù)無技術(shù)職稱研究員工作單位中國科學(xué)院金屬研究所完成單位中國科學(xué)院金屬研究所對本項

27、目主要學(xué)術(shù)貢獻：利用FSP的劇烈塑性變形作用，建立了碳納米管高效、低損傷分散技術(shù)，突破以往碳納米管在鋁基體難分散、損傷嚴重的瓶頸，由此充分體現(xiàn)了碳納米管的強化作用；發(fā)現(xiàn)FSP的加速擴散作用對原位反應(yīng)體系有機械激活作用，在低溫與劇烈流變條件下制備出原位納米粒子增強超細晶鋁基復(fù)合材料，具有高強韌性，由此開發(fā)出納米復(fù)合材料可控制備技術(shù)。參與了第三、第五和第六項科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實驗工作。是第6和第7篇代表性文章的作者。姓 名王東排 名第四行政職務(wù)無技術(shù)職稱副研究員工作單位中國科學(xué)院金屬研究所完成單位中國科學(xué)院金屬研究所對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻：系統(tǒng)探索了不同接頭形式鋁、銅異種金屬的焊接的工藝，開展了鋁銅異種金屬

28、連接技術(shù)的應(yīng)用；首次開展了非晶合金與金屬的FSW，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)了兩者的高強度連接，發(fā)現(xiàn)非晶仍保持未晶化狀態(tài)，建立了非晶合金與金屬的連接新方法。參與了第一、二項科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實驗工作。是第4篇代表性文章的作者。姓 名薛鵬排 名第五行政職務(wù)無技術(shù)職稱副研究員工作單位中國科學(xué)院金屬研究所完成單位中國科學(xué)院金屬研究所對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻：澄清了影響鋁-銅異種金屬FSW接頭性能的關(guān)鍵因素，精確表征了界面微觀特征，建立了提高異種金屬接頭性能的界面層微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)；利用FSP成功制備出超細晶材料，超細晶純銅的強韌性遠超粗晶銅和傳統(tǒng)超細晶銅，且在高周疲勞變形時組織非常穩(wěn)定，闡明了超細晶材料高周疲勞損傷

29、機制為擠出，而非傳統(tǒng)的大尺度剪切帶和晶粒粗化觀點。參與了第一、第五和第六項科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實驗工作。是第4篇代表性論文的第一作者。六、完成人合作關(guān)系說明第一完成人，馬宗義，研究員于2004年入選中科院“百人計劃”回國工作，在金屬研究所建立攪拌摩擦焊接與加工創(chuàng)新研究組，是團隊的創(chuàng)始人與帶頭人。2005年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助，2016年享受政府特殊津貼。第二完成人，倪丁瑞，副研究員2007年7月博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，隨后進入金屬研究所攪拌摩擦焊接與加工研究團隊，任助理研究員，是該團隊引入的首名博士畢業(yè)生， 2011年晉升為副研究員，并獲碩士生導(dǎo)師資格。第三完成人，肖伯律，研究員2007年12月作為金屬研究所引進優(yōu)秀青年學(xué)者加入攪拌摩擦焊接與加工研究團隊，任高級工程師，2009年晉升為研究員，2015年獲博士生導(dǎo)師資格。第四完成人，王東，副研究員2006年7月碩士畢業(yè)于北京科技大學(xué)，隨后進入金屬研究所攪拌摩擦焊接與加工研究團隊，任研究實習員。2008年任助理研究員。2014年獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位，導(dǎo)師馬宗義研究員，同年晉升為副研究員，獲碩士生導(dǎo)師資格。第五完成人，薛