国家自然科学奖推荐书

国家自然科学奖推荐书

( 2017 年度)

一、项目基本情况

学科评审组：序号：编号：

国家科学技术奖励工作办公室制

二、推荐单位意见（专家推荐不填此栏）

三、项目简介

焊接是重要的先进制造技术，常规的熔焊方法由于温度高、热输入大，接头微观组织与热应力难控制，无法满足新材料、异种材料的焊接要求，产品焊接质量不稳定，如我国某型号火箭曾因焊点质量问题导致发射失败，美国阿里安娜5火箭也曾因喷管焊接问题导致爆炸。随着新材料及异种材料结构的大量应用，开发先进的特种焊接方法、深入研究焊接冶金机理已成为国际焊接领域的热点。然而焊接学科传统上更多的侧重于工艺与技术优化，焊接过程中的热力耦合机制、组织演化规律与性能调控机理尚不明确，极大的制约了特种焊接技术的进一步发展。该项目面向国家重大战略需求，在国家杰出青年科学基金、973课题等资助下，针对异质金属、同质金属和陶瓷/金属三类代表性材料体系，从焊接制造工程中提炼出科学问题，系统研究焊接过程的本质特征，在热力耦合理论模型建立、组织性能调控与焊接冶金机理揭示等方面取得了重要科学发现，为焊接制造技术的突破性发展奠定了理论基础。主要科学发现包括：

一、揭示了异质金属焊接接头界面化合物形成机制，阐明了接头界面组织演化规律，发展了异质金属焊接接头的组织性能调控理论体系，提出了热输入与冶金联合低温焊接、全固溶阻隔抑制界面化合物的思想，建立了异质金属界面化合物的生长模型，解决了铝/钢、钛/钢等异质金属焊接难题；

二、阐明了同质金属热力作用对接头成形、断裂特征、接头微观组织与性能的影响规律，发现搅拌摩擦焊接头组织和性能在焊缝两侧的不对称性，建立了搅拌摩擦焊接载荷模型和热力耦合产热模型，揭示了“S”线形成的本质原因和水浸冷却对焊接行为的影响机制，为提高接头性能奠定了理论基础；

三、提出了基于热输入与界面结构调控的接头应力缓解思路，揭示了陶瓷与金属焊接接头界面反应特征与应力调控机制，阐明了焊接质量主控因素与焊接机理，发展了陶瓷/金属接头应力调控理论，发现了非平直界面对接头组织与性能的作用规律，建立了陶瓷/金属接头内晶须生长模型，实现了多种陶瓷/金属体系的高质量焊接。

该项目发表SCI论文147篇，其中8篇代表性论文总计被International Materials Reviews、Acta Materialia等期刊SCI他引488次，单篇最高SCI他引149次，他引总计903次，获得了国际学术界的认可。英国皇家科学院和工程院H. K. D. H. Bhadeshia院士、英国皇家工程院P. J. Withers院士、美国工程院S. J. Hu院士、中国工程院林尚扬院士、世界陶瓷学会M. Singh会士等21位院士、国际期刊主编/副主编、学会会士，广泛引用和高度评价了项目组提出的机理与方法。项目负责人冯吉才教授为焊接领域首位国家杰出青年科学基金获得者，担任中国焊接学会副理事长。发表于材料加工领域著名期刊Journal of Materials Processing Technology的论文被引频次在建刊以来的9455篇论文中排名第12位。项目组获国家发明专利授权9项，理论成果及衍生技术已经在运载火箭贮箱、导弹姿轨控发动机喷管、载人深潜器球壳、高速列车车体等关键产品的设计与制造中得到应用，研究成果获2016年黑龙江省自然科学一等奖和2004年教育部自然科学一等奖。

五、客观评价

在特种焊接冶金机理与组织性能调控研究方面发表SCI论文147篇，其中8篇代表性论文受到了美国、加拿大、英国等20个国家和地区的学者引用903次（SCI 他引488次），单篇SCI他引最高149次（附件3）。代表性研究成果得到了剑桥大学、牛津大学、英国焊接研究所、美国太平洋西北国家实验室等著名研究机构/高校的持续跟踪，英国皇家科学院和工程院H. K. D. H. Bhadeshia院士、美国工程院S. J. Hu 院士、中国工程院林尚扬院士、世界陶瓷学会M. Singh会士、Corrosion杂志编委会主席G. S. Frankel教授等21位院士、国际期刊主编/副主编、学会会士正面引用和肯定了项目组的研究成果（附件7.7）。代表性论文4的被引频次在材料加工领域著名期刊Journal of Materials Processing Technology建刊以来的9455篇论文中排名第12位（附件7.4）。相关研究成果已成功用于指导运载火箭贮箱、导弹姿轨控发动机喷管、载人深潜器球壳、高速列车车体等关键产品的设计与制造（附件7.9-7.16）。部分成果获得了2016年黑龙江省自然科学一等奖（附件7.1）和2004年教育部自然科学一等奖（附件7.2）。

1、对发现点1的代表性评价

加拿大麦吉尔大学 D. Emadi教授在论文中采用项目组提出的“非均质扩散（anisotropic diffusion）”的研究成果解释其研究中焊接界面层生长方向的现象（代表性引文1）。美国工程院S. J. Hu院士在制造工程研究领域著名期刊CIRP Annals - Manufacturing Technology中认可了项目组的研究工作，认为项目组“采用EDX分析确定了铝/钢熔钎焊金属间化合物层的相组成。”（代表性引文2）。

中国焊接学会前理事长陈剑虹教授在发表的论文中8次引用了项目组的研究成果，并直接引用了项目组“锌层促进熔融金属在钢基体表面的润湿和铺展”的研究结论（Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014,136:05105）。美国金属学会会士S. Kou教授认可了项目组的界面反应产物调控机制，并利用项目组得到的“最大厚度小于10μm时才可以获得高性能接头”作为后续分析的对比依据（Materials Science and Engineering A2010,527: 7151-7154）。著名钎焊专家德国Osnabrüeck应用科技大学M. Kantehm教授在其论文中直接引用项目组关于冷金属过渡异种金属焊接电源特性的图表解释其焊接工艺特征（Advanced Engineering Materials, 2012,14: 873）。

中国工程院林尚扬院士在论文中引用了项目组论文，对项目组的铝/钢异质金属焊接界面产物调控研究给予了正面评价，指出“项目组发现，尽管形成了金属间化合物，接头最弱区域仍然是铝母材热影响区”（Journal of Materials Processing Technology 2014,214: 2684-2692）。日本先进工业科学与技术研究院N. Saito教授在论文中直接引用了项目组的研究结果“搅拌针穿过焊缝中心时SZ区域会产生裂纹”作为后续分析的依据（代表性引文3）。

2、对发现点2的代表性评价

英国皇家工程院P. J. Withers院士和搅拌摩擦焊接技术发明人英国焊接研究所P.