项目名称金属材料的搅拌摩擦焊接与加工基础研究

1、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

2、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

3、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

4、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：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

5、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。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。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，

6、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）。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

7、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。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。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

8、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

9、；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

10、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

11、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 2

12、015; 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 m 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. Lour

13、eiro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 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

15、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. Pub

16、lishing, 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

17、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

18、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

19、例介绍了Al-Cu异种金属FSW的相关内容（85-91页）。四、代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码（xx年xx卷xx页）发表时间年月 日通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数知识产权是否归国内所有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马宗义冯艾寒冯艾寒，马宗义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马宗义崔国荣崔国荣，马宗义，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马宗义任淑荣任淑荣，马宗义，陈礼清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马宗义薛鹏薛鹏，倪丁瑞，王东，肖伯律，马宗义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马宗义马宗义马宗义，刘峰超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马宗义张琪张琪，肖伯律，王文广，马宗义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马宗义刘振宇刘振宇，肖伯律，王文广，马宗义1922是8Friction stir processing technology: a review/Metall. Mater. Trans. A /Z.Y. Ma1.73039A, 3 (2008) 642-6582008.3

25、.1马宗义马宗义马宗义256283是合 计624679五、主要完成人情况表姓 名马宗义排 名第一行政职务无技术职称研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位中国科学院金属研究所对本项目主要学术贡献：负责项目的总体设计和运行。在各项科学发现中做出创造性贡献：量化了FSW/FSP工艺与特异性组织关系，由此阐明铝合金接头变形与断裂行为；阐明影响沉淀强化铝合金FSW接头性能的关键工艺参数及作用机制；建立了铸造合金FSP强化改性新工艺；取得异种材料的高强度FSW；突破纳米复合材料可控制备的瓶颈；实现超细晶材料制备，获得优异力学性能与超塑性变形能力。是所有代表性论文的通讯作者，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 名第二行政职务无技术职称副研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位中国科学院金属研究所对本项目主要学术贡献：参与了项目的总体运行以及主体实验工作。利用FSP对晶粒细化与共晶相固溶作用，大幅提升了铸造高铝镁合金的拉伸性能和疲劳性能，并阐明颗粒细化与固溶强化延缓疲劳裂纹形核的主要原因；利用FSP的致密化作用消除了镍铝青铜的铸造缺陷，显著提升了合金的耐腐蚀性；通过偏置工具实现铝、铜异种合金在FSW时的均匀流变，突破了铝铜异种金属连接。是第4篇代表性文章的作者。姓 名肖伯律排 名第三行政职务无技术职称研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位中国科学院金属研究所对本项

27、目主要学术贡献：利用FSP的剧烈塑性变形作用，建立了碳纳米管高效、低损伤分散技术，突破以往碳纳米管在铝基体难分散、损伤严重的瓶颈，由此充分体现了碳纳米管的强化作用；发现FSP的加速扩散作用对原位反应体系有机械激活作用，在低温与剧烈流变条件下制备出原位纳米粒子增强超细晶铝基复合材料，具有高强韧性，由此开发出纳米复合材料可控制备技术。参与了第三、第五和第六项科学发现的实验工作。是第6和第7篇代表性文章的作者。姓 名王东排 名第四行政职务无技术职称副研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位中国科学院金属研究所对本项目主要学术贡献：系统探索了不同接头形式铝、铜异种金属的焊接的工艺，开展了铝铜异种金属

28、连接技术的应用；首次开展了非晶合金与金属的FSW，通过优化工艺参数，实现了两者的高强度连接，发现非晶仍保持未晶化状态，建立了非晶合金与金属的连接新方法。参与了第一、二项科学发现的实验工作。是第4篇代表性文章的作者。姓 名薛鹏排 名第五行政职务无技术职称副研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位中国科学院金属研究所对本项目主要学术贡献：澄清了影响铝-铜异种金属FSW接头性能的关键因素，精确表征了界面微观特征，建立了提高异种金属接头性能的界面层微观结构调控技术；利用FSP成功制备出超细晶材料，超细晶纯铜的强韧性远超粗晶铜和传统超细晶铜，且在高周疲劳变形时组织非常稳定，阐明了超细晶材料高周疲劳损伤

29、机制为挤出，而非传统的大尺度剪切带和晶粒粗化观点。参与了第一、第五和第六项科学发现的实验工作。是第4篇代表性论文的第一作者。六、完成人合作关系说明第一完成人，马宗义，研究员于2004年入选中科院“百人计划”回国工作，在金属研究所建立搅拌摩擦焊接与加工创新研究组，是团队的创始人与带头人。2005年获国家杰出青年科学基金资助，2016年享受政府特殊津贴。第二完成人，倪丁瑞，副研究员2007年7月博士毕业于哈尔滨工业大学，随后进入金属研究所搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任助理研究员，是该团队引入的首名博士毕业生， 2011年晋升为副研究员，并获硕士生导师资格。第三完成人，肖伯律，研究员2007年12月作为金属研究所引进优秀青年学者加入搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任高级工程师，2009年晋升为研究员，2015年获博士生导师资格。第四完成人，王东，副研究员2006年7月硕士毕业于北京科技大学，随后进入金属研究所搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任研究实习员。2008年任助理研究员。2014年获中国科学技术大学博士学位，导师马宗义研究员，同年晋升为副研究员，获硕士生导师资格。第五完成人，薛