鈦合金3D打印顛覆性創新研究的知識圖譜分析

程豪 張崢

摘 要：為了解當前國際鈦合金3D打印顛覆性創新研究的現狀及趨勢，以Web of Science中鈦合金3D打印顛覆性創新的350篇文獻為數據池，借助于CiteSpace軟件進行文獻科學計量分析。對三維分布、國家合作網絡、機構分布、主要期刊、關鍵人物進行分析，以了解鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的基本情況;對關鍵詞、突顯詞共現分析進行研究，以了解鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的熱點;對高被引文獻進行分析，以了解鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的重要基礎知識。研究表明：近幾年來鈦合金3D打印顛覆性創新研究處于快速發展階段;核心機構是北京航空航天大學、西北工業大學等;核心期刊是MAT SCI ENG A-STRUCT、ACTA MATER等;核心作者是Murr、THIJSL等;熱點主題是微觀結構、增材制造等;一些作者的高被引文獻構成學術研究的重要基礎。分析結果有助于學者把握該研究領域的現狀和發展趨勢，還可為鈦合金3D打印顛覆性創新的后續研究提供參考。

關鍵詞：CiteSpace;鈦合金;3D打印;顛覆性創新;知識圖譜

中圖分類號：G302?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2019）03-0313-07

Abstract：In order to understand the current status and trends of international titanium alloy 3D printing disruptive innovation research，350 papers of disruptive innovation of titanium alloy 3D printing in Web of Science are used as data pool，and CiteSpace software is used for quantitative analysis of literature.Three-dimensional distribution，national cooperation networks，institutional distribution，major journals，and key individuals are analyzed to understand the basic situation of titanium alloy 3D printing disruptive innovation research;research on keyword and prominent word co-occurrence analysis to understand titanium alloy 3D printing is a hot topic in the field of disruptive innovation research;analysis of highly cited literature to understand the important basic knowledge of titanium alloy 3D printing disruptive innovation research.Research shows that in recent years，research on the disruptive innovation of titanium alloy 3D printing is in a rapid development stage;the core institutions are Beihang University，Northwestern Polytechnical University，etc.;the core journals are MAT SCI ENG A-STRUCT，ACTA MATER，etc.;the core authors areMurr，THIJSL，etc.;hot topics are microstructure，additive manufacturing，etc.;some authors’ high cited literature constitutes an important foundation for academic research.The analysis results help scholars grasp the current status and development trend of the research field，and provide reference for the follow-up research of titanium alloy 3D printing disruptive innovation.

Key words：CiteSpace;titanium alloy;3D printing;disruptive innovation;knowledge map

0 引 言

近年來，3D打印（3D Printing）技術已成為一種顛覆性的新興制造方式[1]?！禜arvard Business Review》列舉了未來10大顛覆性創新，其中3D打印位于未來10大顛覆性創新之首[2]。相對于傳統的“減材制造”技術，3D打印是一種“增材制造”技術。它是通過對材料的自下而上逐步分層、疊加、積累的方式實現制造，是一種制造技術與數字化的融合[3]。相對于傳統的制造技術，3D打印從設計模型到制成品的一次成型，無需傳統的磨具、刀具，克服了繁瑣工藝、復雜結構難以順利制造的障礙，大大縮短了制造的周期[4]。

在國際金屬材料的研究與應用中，鈦合金3D打印技術方興未艾[5]。國內外專家學者對于鈦合金3D打印技術高度關注，顛覆性創新研究日趨廣泛，發表論文的數量也在不斷增加[6-7]。但在其紛繁復雜的研究文獻中，進行可視化展示的相關研究較少且缺乏信息可視化的總體脈絡。因此，為便于國內學者更加直觀地了解鈦合金3D打印顛覆性創新領域的研究現狀及熱點，文中運用信息可視化分析工具CiteSpace進行知識圖譜分析，借助CiteSpace軟件對鈦合金3D打印顛覆性創新領域的350篇文獻進行可視化分析[8]。對三維分布和國家、機構的合作網絡分析及期刊、作者的共被引分析進行研究，以了解該研究領域的現狀;對關鍵詞、突顯詞的共現分析進行研究，以了解該研究領域的熱點;對高被引文獻進行分析，以了解該研究領域的基礎知識[9]。通過對數據庫獲取的精煉文獻進行分析和探討該領域的研究動態，以期為鈦合金3D打印顛覆性創新的進一步研究提供參考和理論基礎。

1 材料與研究方法

1.1 數據來源

Web of Science（WoS）核心合集是獲取全球學術信息的重要數據庫，收錄了論文中所引用的參考文獻，并按照被引作者、出處和出版年代編成獨特的引文索引。文中于2018年6月份在數據庫Web of Science核心合集中收集數據，保證了研究結果的相對科學性，根據鈦合金3D打印顛覆性創新的研究主題，限定“主題（Titanium Alloy Additive Manufacturing）”or “主題（3D Printing Disruptive Innovation）”，“文獻類別=Materials Science Multidisciplinary？or Metallurgy Metallurgical Engineering or Management or Operations Research Management Science or Business or Economics”，“文獻類型=Article”，“時間跨度=2008—2017”對英文文獻進行精煉，去除無效記錄，共計檢索出有效文獻350篇，其中每條記錄包括文獻的作者（Authors）、題目（Title）、摘要（Abstract）和文獻引文（Reference），以純文本的格式進行保存，記錄內容為全記錄與引用的參考文獻。

1.2 研究方法

CiteSpace是由美國德雷塞爾大學陳超美教授開發，運用科學計量學，對數據和信息進行可視化分析，使復雜的信息變得直觀形象，以挖掘科學分析中蘊含的潛在規律，得到知識圖譜的引文可視化分析的Java應用程序軟件。文中運用CiteSpace V軟件，以鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的文獻為研究對象，對從Web of Science中精煉得到的350篇文獻進行合作網絡分析、共現分析、共被引分析，得到所需的知識圖譜，廓清鈦合金3D打印顛覆性創新領域的研究情況。

2 結果與分析

2.1 發文量年度分布

為了對所精煉的350篇文獻有一個更加清晰的了解，文中首先對所精煉的350篇文獻進行描述性統計分析。從發文數量年度統計中可以看出，2008—2017年這10年間，鈦合金3D打印顛覆性創新可分為起步發展、穩定發展、快速發展3個研究階段：2008—2010年年發文量小于5篇，處于起步發展階段;2011—2013年年發文量為10-20篇，處于穩定發展階段;2014—2017年發文量達到30篇以上，處于快速發展階段?？傮w上論文發表數量逐年上升，客觀地揭示了鈦合金3D打印顛覆性研究從緩慢到快速的發展態勢，這說明鈦合金3D打印顛覆性創新已逐步成為學者專家關注的研究熱點（如圖1）。

2.2 國家合作網絡分析

將從Web of Science中檢索得到的數據導入CiteSpace V軟件中，網絡節點選擇Country，節點閾值選擇Top50，連線強度選擇Cosine算法。利用CiteSpace軟件對檢索的350篇文獻進行分析，生成鈦合金3D打印國家合作網絡圖譜。圖譜（如圖2）中，同心圓（節點）代表國家，顏色代表論文的發表年份。如圖譜中深藍色同心圓代表2009年的瑞典和俄羅斯，說明瑞典和俄羅斯相對于其他國家關于鈦合金3D打印顛覆性創新的研究較早。知識圖譜中同心圓越大，說明論文發表頻次越高。由圖譜分析可得，美國、中國、德國、澳大利亞在鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域實力強勁，并且輻射帶動作用突出[10-13]。

鈦合金3D打印顛覆性創新領域發表論文數量前五的國家見表1，這說明美國、中國、德國、英格蘭、澳大利亞具有較強的研究實力。其中美國和中國在該研究領域一騎絕塵，發文量高達80余篇，遙遙領先于其他國家。

2.3 機構合作網絡分析

將從Web Of Science中檢索到的數據導入CiteSpace V軟件中，網絡節點選擇Institution，設置節點閾值選擇Top 10，連線強度選擇Cosine算法，得到關于機構合作網絡的圖譜。圖譜（如圖3）中，節點的大小表示該機構的發文數量，之間的連線反映機構間的合作關系強度。

由圖3可知，全球鈦合金3D打印顛覆性創新領域的主要研究機構是高校，如北京航天航空大學（Beihang University）、賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）等。但除了北京航天航空大學（Beihang University）、克蘭菲爾德大學（Cranfield University）、曼徹斯特大學（The University of Manchester）之間的交流相對較多，大部分研究機構都沒有連線，合作關系分散，合作強度較弱。

關于鈦合金3D打印顛覆性創新領域發文量前5名的主要機構排名見表2，發文量全部大于10篇。其中，北京航空航天大學（Beihang University）在該研究領域的實力最強，發文量高達17篇，超過了西北工業大學（Northwestern Polytechnical University）、賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）等研究機構。此外，結合圖3分析可得，2009年西北工業大學就在Web of Science中發表了相關的研究成果，屬于機構當中出成果較早的，在圖中呈現的整體影響力也較大。

2.4 期刊共被引分析

將從Web of Science中檢索到的數據導入CiteSpace V軟件中，網絡節點選擇Cited Journal，時間片段為1年，節點閾值選擇Top 50，連線強度選擇Cosine.利用CiteSpace軟件對期刊共被引進行可視化的展示和排序，節選共被引頻次前10種期刊，得到期刊共被引頻次排序見表3.由表3可以得出，共被引頻次最高的是工程技術期刊MAT SCI ENG A-STRUCT（Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing），MAT SCI ENG A-STRUCT是工程技術類的核心期刊，共被引次數高達282次，說明作為經典研究期刊的MAT SCI ENG A-STRUCT在鈦合金3D打印顛覆性創新領域占有十分重要的地位;其次是材料類頂級期刊ACTA MATER（Acta Materialia），ACTA MATER主要刊登的是關于金屬方面的研究，共被引頻次為248次;第三是材料加工技術期刊J MATER PROCESS TECH（Journal of Materials Processing Technology），J MATER PROCESS TECH是關于材料類的核心期刊，共被引次數為209次?？梢娨陨?種期刊論文的數量和質量都在鈦合金3D打印顛覆性創新領域占有重要的地位。

2.5 作者共被引分析

對作者進行共被引分析可以發現鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的領軍人物。將從Web of Science中檢索到的數據導入CiteSpace V軟件中，網絡節點選擇Cited Author，利用CiteSpace軟件對作者共被引進行可視化的展示。作者共被引分析反映了鈦合金3D打印顛覆性創新領域作者合作強度的關系。作者對應的節點半徑越大，說明該作者的被引頻次越高，在該領域內越權威。

從圖譜（如圖4）中，可以看出整個圖譜的網絡密度比較低，作者的被引頻次雖然不少，但是沒有突出的最大引文年環，說明沒有真正形成的研究團簇，研究廣泛而不專，鈦合金3D打印顛覆性創新領域的研究水平需進一步提高。

由表4可以看出，美國學者Murr擁有最大的引文年環（114次），Murr對鈦合金3D打印顛覆性創新領域的鈦合金的組織和力學性能問題進行了開創性研究，是鈦合金3D打印顛覆性創新領域的領軍人物[14-15];其次是荷蘭學者THIJS L（70次），THIJS L緊密圍繞鈦合金3D打印做了很多原創性研究[16-17];第三是德國學者THIJS L（G.Lutjering）（64次），THIJS L從不同方面對鈦技術現狀進行了全面的總結，包括鈦的基本性質和物理冶金學、提取冶金學、不同的生產工藝、加工微結構和性質之問的關系以及包括經濟因素在內的所有應用方面。

2.6 關鍵詞共現分析

關鍵詞是文獻核心內容的提煉和研究主題的高度概括，CiteSpace軟件通過對關鍵詞的共現網絡進行可視化，展現出鈦合金3D打印顛覆性創新領域的熱點。在軟件中選擇Keyword節點，閥值選擇30，時間片段選為1，運行軟件，得到關鍵詞共現圖譜（如圖5）。圖譜中的節點半徑越大，說明關鍵詞出現的頻數越高。

由圖5和表5可以看出，“Microstructure（微觀結構）”、“additive manufacturing（增材制造）”、“mechanical property（機械性能）”、“additive alloy（添加劑合金）”、“titanium（鈦）”是鈦合金3D打印顛覆性創新領域最關鍵的5個熱點關鍵詞。其中，“Microstructure（微觀結構）”頻數最高，是關鍵詞共現圖譜中最重要節點，通過對鈦合金“Microstructure（微觀結構）”的研究，可以了解鈦合金各方面的性能，從而實現多種材料的鑄造，大大降低制造成本，提高制造效率和加工質量。中介中心性是測度節點在網絡中重要性的指標，中介中心性越高，在共現網絡中的影響力就越大。中介中心性不小于0.1的關鍵詞有6個，分別是“Microstructure（微觀結構）”、“additive manufacturing（增材制造）”、“mechanical property（機械性能）”、“additive alloy（添加劑合金）”、“evolution（演化）”、“deposition（沉積）”[18]?！癮dditive manufacturing（增材制造）”的中心度更是達到了0.46，說明增材制造在該領域處于十分重要的地位。

2.7 突顯詞共現分析

CiteSpace軟件提供了獨特的突顯詞探測技術，在軟件中點擊Burstness，再點擊View進行查看，可得到鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域變化頻數較大的前14個突顯詞。由表6可以看出，近幾年變化較大的gradient material（梯度材料）、heat treatment（熱處理）、power diode laser（功率二極管激光器）、aluminum foam（鋁泡沫）、Ti-6Al-4V alloy（Ti-6Al-4V合金）是鈦合金3 D打印顛覆性創新領域的重要熱點和研究方向。

2.8 知識基礎文獻

對數據進行文獻共被引分析可以發現鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的關鍵文獻，通過CiteSpace軟件對文獻信息進行可視化，便于學者直觀了解學科前沿的演化路徑和基礎文獻。高被引文獻為檢索和研究熱點提供了方向性指標，是高質量、高水平的研究成果，具有極高的研究價值。為了更加深刻地把握鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的發展情況，將原始數據導入CiteSpace軟件，選擇“cite reference”為節點，得到圖6所示的共被引文獻可視化圖譜。

由圖6和表7可知，英國學者Bermani發表的文獻被引頻數最多，他在2010年發表的《冶金和材料學報A-物理冶金和材料科學》中，深入探討了電子束熔化Ti-6Al-4V的微觀結構多樣性、織構和力學性質的起源;仔細研究了鈦合金3D打印在標準操作條件下實現的微觀結構、織構和機械性能[19]。其次是美國學者Murr，他通過電子束熔化添加網狀Ti-6Al-4V生物醫學網狀結構的分層制造和對EBM法Ti-6Al-4V合金的組織和力學性能進行了深入研究，并與鍛態的Ti-6Al-4V合金進行對比。研究論證了利用EBM法可制備出與鍛態合金強度和塑性相當的Ti-6Al-4V合金，并可應用于醫療植入件的制備中，將鈦合金3D打印技術應用于三維網狀結構鈦合金支架結構制造，克服了傳統制造方法中存在的支架復雜外形制造困難和內部微結構無法控制的缺陷，突破了受支架幾何結構復雜性的限制。在2010和2011年，德國學者Baufeld所發表的文獻圍繞鈦合金3D的線材添加層制造，對激光束沉積和成形金屬沉積制備Ti-6Al-4V組分的微觀結構和力學性能進行了比較。Baufeld指出關鍵金屬構件激光增材制造技術的發展和工程應用，將在很大程度上取決于人們對激光增材制造過程中對激光、金屬交互作用行為及能量吸收利用機制[20]。這些高被引文獻共同構成了近幾年研究鈦合金3D打印顛覆性創新領域的重要基礎知識，幫助學者打下研究該領域問題的基礎。

3 結 語

文中利用信息可視化軟件CiteSpcce V，以Web of Science核心合集中2008—2017年350篇關于鈦合金3D打印顛覆性創新研究文獻為數據池，對全球范圍的鈦合金3D打印顛覆性創新研究分別進行國家、機構、期刊、作者、研究熱點及研究基礎進行系統深入的可視化分析，繪制圖譜。

1）鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域具有較強實力的國家主要有美國、中國、德國、英格蘭、澳大利亞，其中美國和中國在該領域的研究實力最強。

2）通過國家合作網絡分析，發現鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域發文量較多的機構主要有：北京航空航天大學、西北工業大學、賓夕法尼亞大學、克蘭菲爾德大學、曼徹斯特大學等。

3）通過期刊共被引分析，可知在鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域中，MAT SCI ENG A-STRUCT，ACTA MATER，J MATER PROCESS TECH這3種期刊上所發表的論文被引頻次比較高，在數量以及質量上都具備參考意義。

4）通過作者共被引分析，可知鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的關鍵人物有美國學者Murr、荷蘭學者THIJSL、德國學者LUTJERING G等人。

5）通過關鍵詞分析，可知微觀結構、增材制造、機械性能、添加劑合金等已成為鈦合金3D打印顛覆性創新領域的研究熱點，通過突顯詞分析，發現近幾年鈦合金3D打印顛覆性創新的前沿集中偏向于Ti-6AL-4V合金技術的分析以及問題的解決。

6）通過文獻共被引分析，發現了一些對鈦合金3D打印顛覆性創新研究發展有深遠影響的重要文獻，這些文獻具有較高的中心度。它們構成了鈦合金3D打印顛覆性創新研究領域的重要基礎知識。

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（責任編輯：王 強）