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

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