国家自然科学奖推荐书Word下载.docx

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特种焊接冶金机理与组织性能调控

英文名

Metallurgicalmechanisminspecialweldingandoptimalcontrolofmicrostructuresand

properties

主要完成人

冯吉才、刘会杰、曹健、许志武、张洪涛

学科分类

名称

1

焊接工艺与设备

代码

4602515

2

3

任务来源

973计划、部委计划、国家自然科学基金

具体计划、基金的名称和编号：

国家杰出青年科学基金（名称：

焊接工艺与装备，编号：

50325517）、国家973课题（名称：

复合能场作用下构件焊接成形及连接区组织和服役性能控制，编号：

2010CB731704）、国防973课题（名称：

xxx加工改性机理与理论模型，编号：

5133302）、总装预研（名称：

xxx扩散焊接技术，编号：

51318050118）、国家自然科学基金面上项目（名称：

陶瓷与金属的场助自蔓延高温合成连接机理研究，编号：

50175021）、国防基金（名称：

陶瓷和金属的连接机理xxx，编号：

97J18.6.2HT0134）。

已呈交的科技报告编号：

项目起止时间

起始：

1997年9月30日

完成：

2009年4月30日

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）

推荐单位

黑龙江省科技厅

通讯地址

邮政编码

联系人

孙景波

联系电话

电子邮箱

传真

推荐意见：

我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励办公室的填写要求，经公示无异议。

焊接是应用最广泛的先进制造技术之一，是多种关键产品的核心制造技术，项目组针对异质金属、同质金属和陶瓷/金属三类代表性材料体系，以熔钎焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等特种焊接方法为对象，系统研究了焊接冶金机理与组织性能调控机制。

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；

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，建立了搅拌摩擦焊接载荷模型和热力耦合产热模型；

揭示了陶瓷与金属焊接接头界面反应行为与应力调控机制，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。

8篇代表论文SCI他引488次，单篇SCI他引最高149次，他引总计903次。

项目研究成果丰富了焊接冶金基础理论，引领了我国焊接行业的发展，巩固及提高了我国在国际焊接领域的地位，实现了与国际焊接新技术的同步发展。

学术成果与衍生技术已成功指导运载火箭贮箱、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实际制造，部分成果曾获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。

推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。

声明：

本单位遵守《国家科学技术奖励条例》及其实施细则的有关规定，承诺遵守评审工作纪律，所提供的推荐材料真实有效，且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等相关法律法规及侵犯他人知识产权的情形。

如有材料虚假或违纪行为，愿意承担相应责任并接受相应处理。

如产生争议，保证积极调查处理。

法人代表签名：

推荐单位（盖章）

年月日年月日

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InternationalMaterialsReviews、ActaMaterialia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JournalofMaterialsProcessingTechnology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JournalofMaterialsProcessingTechnology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（anisotropicdiffusion）”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CIRPAnnals-ManufacturingTechnology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（JournalofManufacturingScienceandEngineering,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（MaterialsScienceandEngineeringA2010,527:

7151-7154）。

著名钎焊专家德国Osnabrü

eck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（AdvancedEngineeringMaterials,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”（JournalofMaterialsProcessingTechnology2014,214:

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.L.Threadgill教授共同在国际著名期刊InternationalMaterialsReviews（影响因子7.914）上发表的搅拌摩擦焊接综述论文中，指出“2017-T351铝合金搅拌摩擦焊的接头强度系数高达82%”（代表性引文4）。

英国皇家科学院和工程院H.K.D.H.Bhadeshia院士在国际著名期刊ActaMaterialia（2011,59:

2020-2028，影响因子5.058）上发表的论文中，将项目组的数据结果作为重要进展在表格中引用。

英国伯明翰大学M.M.Attallah教授在论文中对项目组的研究结果给予充分肯定，指出“热处理后的强度随转距降低而增加的这种倾向早已被项目组所观察到”（MaterialsScienceandEngineeringA,2005,391:

51-59）。

美国金属学会和机械工程师学会M.Ramulu会士在发表论文中，基于项目组的数据结果，指出在迄今为止的铝合金搅拌摩擦焊接中，这些结果代表了最高的性能（JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2008,17:

187-192）。

德国亥姆霍兹联合会吉斯塔赫研究中心P.B.Srinivasan教授在论文中充分肯定了项目组的研究成果，认为“通过不同热处理状态铝合金的搅拌摩擦焊接研究，很好地阐明了接头微观组织和力学性能的相关性”（代表性