基于CiteSpace的鈦鋁合金研究可視化分析

鮑芳芳，高 威，馮 新，張愛斌，丁賢飛，南 海

(1. 中國航發北京航空材料研究院，北京 100095)(2. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095)

1 前 言

在高溫結構材料中，鈦鋁合金密度低、耐熱性能好、比強度高、比剛度高，具有良好的抗高溫蠕變性能和抗氧化能力，是綜合性能最好的輕質高溫合金[1]，被視為新型高推比航空發動機與航天推進系統靜止件和轉動件極具潛力的候選材料。為促進鈦鋁合金材料發展，國內外學者從不同角度對鈦鋁合金進行了諸多研究[2-4]。CiteSpace為Citation Space的簡稱，是由美國雷德賽爾大學陳超美教授研發的一款可視化文獻分析軟件，通過該軟件能夠從海量文獻數據中了解到鈦鋁合金研究中最重要、最關鍵的有效信息，識別最活躍的研究前沿及發展態勢，并能夠把鈦鋁合金研究領域浩如煙海的文獻數據以一種多元、分時、動態的引文分析可視化語言展現在一幅引文網絡的知識圖譜上[5, 6]。2006年該軟件開始引入我國[7, 8]，已在不同領域得到了廣泛應用，其中，材料領域的應用實踐包括儲熱技術[9]、3D打印技術[10, 11]、阻燃材料[12, 13]、PTC材料[14]、石墨烯材料[15]等，然而，目前從文獻計量角度對鈦鋁合金研究的揭示仍為空白。基于此，本文借助CiteSpace軟件對國內外鈦鋁合金的研究現狀及熱點進行了可視化分析，深入挖掘鈦鋁合金領域的相關研究成果，以方便找到國內外鈦鋁合金研究的差異，為推動我國鈦鋁合金材料的發展提供參考和借鑒。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

國內文獻數據以CNKI數據庫為來源。CNKI數據庫是目前世界上最大的連續動態更新的中文期刊全文數據庫。在CNKI數據庫中，文獻檢索選擇高級檢索、文獻類型選擇期刊，將“主題=((鈦鋁OR鈦鋁基OR鈦鋁系OR鈦鋁金屬間OR TiAl OR Ti-Al OR Ti3Al OR TiAl3OR Ti2Al)AND(合金OR化合物))”組成布爾邏輯檢索式，時間范圍為2010年1月1日至2019年12月31日，數據更新時間為2020年5月27日，檢索時間為2020年5月28日，檢索獲得文獻1575篇。

國外文獻數據以Web of Science數據庫為來源。Web of Science數據庫是世界公認的自然科學領域最為重要的評價工具。在Web of Science數據庫中，選擇Web of Scienc核心合集數據庫，文獻檢索選擇高級檢索，將“TI=((TiAl OR Ti-Al OR titanium aluminide OR titania-alumina OR Ti-Al based OR titanium aluminide based OR Ti-Al intermetallic OR titanium aluminide intermetallic OR titanium aluminum based intermetallic OR Ti-Al based intermetallic OR TiAl3OR Ti3Al OR Ti2Al) AND (alloy* OR compound*) )”組成布爾邏輯檢索式，勾選Document Types=(article)，Languages=(English)，More Settings=(science citation index expanded(SCI-expanded)-1900-present)，Custom Year Range=(20100101 to 20191231)，數據更新時間為2020年6月14日，檢索時間為2020年6月15日，獲得文獻1180篇。

2.2 分析方法

對鈦鋁合金研究的數據統計分析主要運用了Excel和CiteSpace兩款軟件。其中，檢索得到的CNKI數據庫和Web of Science數據庫文獻均以文本文件形式分別保存在Excel和CiteSpace中，通過Excel進行文獻統計獲取中外文文獻數據的基本信息，如文獻來源、高被引文獻等，通過CiteSpace獲取二維矩陣及具有關聯關系的可視化圖譜，如機構合作、作者合作、關鍵詞共現等。

3 基于CiteSpace對CNKI鈦鋁合金研究的可視化分析

3.1 文獻來源

在CNKI數據庫收錄期刊中，刊登鈦鋁合金材料的主要有：《稀有金屬材料與工程》、《中國材料進展》、《中國有色金屬學報》、《Transaction of Nonferrous Metals Society of China》、《金屬學報》、《航空材料學報》、《焊接學報》、《材料工程》、《鈦工業進展》。基金來源主要有：國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、國家高技術研究發展計劃、航空科學基金、中國博士后科學基金、高等學校博士學科點專項科研基金、黑龍江省自然科學基金等。

3.2 機構合作

機構合作共現圖能夠直觀顯示研究機構及其之間的合作情況，詳見圖1，圖中圓圈越大表明該機構在我國鈦鋁合金研究領域的出現頻次越高，字體越大表明該機構在我國鈦鋁合金研究領域的影響力越大，圓圈之間的連接線揭示出兩機構之間的聯系情況，連線越粗表明機構之間聯系越緊密。圓圈為具有高中心性的節點，中心性是節點在整體網絡中所起連接作用大小的度量，中心性越大表示影響力和重要程度越大，一般而言，中心性大于0.1的節點在網絡結構中位置比較重要，在知識結構演變中扮演著重要角色。圖1中出現頻次10次以上的機構包括：中南大學粉末冶金國家重點實驗室(頻次61、中心性0.04)、哈爾濱工業大學材料科學與工程學院(頻次60、中心性0.05)、西北工業大學凝固技術國家重點實驗室(頻次50、中心性0)、哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室(頻次41、中心性0)、中國科學院金屬研究所(頻次38、中心性0)、中南大學材料科學與工程學院(頻次33、中心性0.02)、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室(頻次29、中心性0.05)、南京航空航天大學材料科學與技術學院(頻次27、中心性0)、鋼鐵研究總院高溫材料研究所(頻次24、中心性0)、西北有色金屬研究院(頻次20、中心性0.01)等。合作共現圖揭示出：我國鈦鋁合金研究機構集中在高校和專業研究院所，機構之間合作力度不大。

圖1 CNKI數據庫鈦鋁合金研究機構合作共現圖Fig.1 Institution cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.3 作者合作

作者合作共現圖(圖2)中的每位學者均從不同角度對鈦鋁合金進行了深入思考與研究，并對后續研究產生了重要影響。圖2各節點中圓圈越大，表明作者文章的被引用頻次越高、影響力越大，其中，被引頻次較為突出的作者有：鋼鐵研究總院的張繼、中南大學的劉詠、哈爾濱工大學的陳玉勇、北京科技大學的林均品、鋼鐵研究總院的朱春雷和哈爾濱工業大學的傅恒志，這些作者的論文引用頻次均在20次以上。從圖2可以看出，這些作者的合作情況整體呈現出既有分散又有連接的狀態，反映出我國鈦鋁合金研究領域已形成若干小規模合作群，其中，中心性最高值為0.01，中心性值為0.01的作者有：張繼(頻次52)、劉詠(頻次34)和朱春雷(頻次22)。

圖2 CNKI數據庫中鈦鋁合金研究作者合作共現圖Fig.2 Author cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.4 關鍵詞

關鍵詞共現圖能夠揭示出該領域研究熱點及其發展脈絡，如果某一時期鈦鋁合金領域的某一關鍵詞出現頻次高，意味著該關鍵詞是該時期、鈦鋁合金領域的研究熱點。圖3給出了鈦鋁金合金領域的關鍵詞共現圖，圖中圓圈越大表明該關鍵詞在文獻中出現頻次越高，圓圈旁字體越大表明該關鍵詞中心性越強，圓圈間連線越粗表明兩者之間相關性越強。通過關鍵詞的頻率、中心性及相互之間的聯系，可以直觀地看出在某一時期內研究者所共同關注的熱點。連線縱橫交錯，說明關鍵詞之間聯系非常緊密，可能經常選擇性地被研究者放在同一個模型中進行觀察。中心度較高的關鍵詞在共現網絡結構中處于中心位置，是當前學術研究者比較關心的問題，在研究方向的擴展中有重要作用，預示著未來的發展趨勢。具體來看，鈦鋁金合金材料的研究點主要包括：TiAl合金(頻次196、中心性0.09)、力學性能(頻次149、中心性0)、顯微組織(頻次86、中心性0.27)、鈦合金(頻次95、中心性0.13)、微觀組織(頻次86、中心性0.27)、TiAl基合金(頻次83、中心性0.31)、金屬間化合物(頻次66、中心性0.31)、熱處理(頻次64、中心性0.2)、晶粒細化(頻次33、中心性0.2)、高溫氧化(頻次31、中心性0.19)等方面。在這些關鍵詞節點中，TiAl合金的節點最大，引用頻次最高。

圖3 CNKI數據庫鈦鋁合金研究關鍵詞共現圖Fig.3 Keywords co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.5 高被引文獻

高被引文獻即引用頻次較高的文獻，此類文獻的作者影響力較大、文獻中的發現可能是該研究領域的“關鍵轉折點”。表1列出了鈦鋁合金研究領域在CNKI數據庫中至本文作者檢索之日總引用次數排名前10的高被引文獻，可以看出：被引頻次較高的文獻均發表于2010年及之后，表明在2010年及之后我國鈦鋁合金材料領域研究質量明顯提升，具體文獻主題包括鈦鋁合金材料的研究進展、制備技術及應用情況。其中，排名第一位的為2010年林均品等[16]發表的《輕質γ-TiAl金屬間化合物的研究進展》，被引用126次，介紹了γ-TiAl基金屬間化合物的發展過程、成分-組織-性能-制備關系、產業化及應用，指出北京科技大學發展的高Nb-TiAl金屬間化合物為國內外TiAl基金屬間化合物發展的重點方向。排名第二位的為2010年張建偉等[17]發表的《Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究與應用》，被引用122次，介紹了鋼鐵研究總院Ti3Al和Ti2AlNb合金的研究與應用進展，包括系統的合金化和組織結構的設計、建立具有自主知識產權的高韌性合金體系、建立合金制備加工工藝技術等。排名第三位的為2015年楊銳[18]發表的《鈦鋁金屬間化合物的進展與挑戰》，被引用118次，介紹了鈦鋁金屬間化合物的4個階段研發歷程、6個方面主要進展和5個未來挑戰。

表1 CNKI數據庫鈦鋁合金研究高被引文獻

4 基于CiteSpace對Web of Science鈦鋁合金研究的可視化分析

4.1 文獻來源

在Web of Science收錄的數據庫期刊中，刊登鈦鋁合金的主要有：Intermatallics，MaterialsScienceandEngineeringA-structuralMaterialsProperitiesMicrostructureandProcessing，JournalofAlloysandCompounds，ActaMaterialia，Materials，Materials&Design，SurfaceandCoatingsTechnology，TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina，RareMetalMaterialsandEngineering等。基金來源主要有：中國國家自然科學基金(National natural science foundation of China)、中國國家基礎研究計劃(National basic research program of China)、中央大學基礎研究經費(Fundamental research funds for the central universities)、中國博士后科學基金(China postdoctoral science foundation)、德國研究基金會(German research foundation DFG)、中國國家高技術研究發展計劃(National high technology research and development program of China)等。

4.2 國家合作

國家合作共現圖直觀顯示了鈦鋁合金研究國家及其之間的合作情況，如圖4，其中，頻次為10以上的國家包括：中國(頻次687、中心性0.07)、德國(頻次120、中心性0.14)、美國(頻次69、中心性0.07)、奧地利(頻次66、中心性0.31)、俄羅斯(頻次63、中心性0.07)、法國(頻次45、中心性0.21)、日本(頻次44、中心性0.02)、英國(頻次41、中心性0.41)、印度(頻次30、中心性0.07)、波蘭(頻次27、中心性0.14)、澳大利亞(頻次25、中心性0.79)、意大利(頻次23、中心性0.63)、韓國(頻次22、中心性0)、捷克(頻次21、中心性0.16)、伊朗(頻次20、中心性0)、西班牙(頻次19、中心性0)、加拿大(頻次19、中心性0.24)、斯洛伐克(頻次14、中心性0.1)、瑞士(頻次14、中心性0.95)、烏克蘭(頻次13、中心性0)、瑞典(頻次13、中心性0.38)。統計數據表明，在鈦鋁合金研究的主要國家中，中國頻次最高但是缺乏與他國的合作力度，國外研究合作力度相對大、其頻次總和(704)比中國(687)略高。

圖4 Web of Science數據庫鈦鋁合金研究國家合作共現圖Fig.4 Country cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy research in Web of Science database

4.3 機構合作

研究機構合作共現圖直觀顯示了鈦鋁合金研究機構及其之間的合作情況，如圖5。圖中，頻次10次以上的研究機構包括：哈爾濱工業大學(頻次166，中心性0.15)、西北工業大學(頻次82，中心性0.35)、北京科技大學(頻次78，中心性0.36)、中國科學院(頻次53，中心性0.28)、奧地利里奧本大學(頻次47，中心性0.39)、中南大學(頻次45，中心性0.17)、德國亥姆霍茲研究所(頻次36，中心性0.37)、北京航空航天大學(頻次23，中心性0.09)、俄羅斯科學院(頻次23，中心性0.02)、北京航空材料研究院(頻次21，中心性0.11)、南京航空航天大學(頻次14，中心性0)、英國伯明翰大學(頻次13，中心性0.05)、重慶大學(頻次11，中心性0)。此外，通過研究機構的中心性數據可以發現，研究機構之間的合作并不多，其中，合作較多的為奧地利里奧本大學和德國亥姆霍茲研究所，其他機構間的合作明顯較少，反映出全球大部分專家學者還處于獨立研究狀態，這不利于鈦鋁合金研究科研效率與效果的提升。

圖5 Web of Science數據庫鈦鋁合金研究機構合作共現圖Fig.5 Institution cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in Web of Science database

4.4 作者合作

研究作者合作共現圖(圖6)表明，鈦鋁合金研究領域相關論文中被引用頻次最高的作者為Clemens H，排名在其之后的幾位作者被引用的頻次相差并不大，詳見圖6。截止本文作者檢索之日，在Web of Science數據庫中，鈦鋁合金領域總被引頻次排名前10位的作者有：里奧本大學的Clemens H(頻次50、中心性0)、西北工業大學和哈爾濱工業大學的傅恒志(頻次45、中心性0)、哈爾濱工業大學的陳瑞潤(頻次43、中心性0)、西北工業大學的李金山(頻次43、中心性0)、北京科技大學的林均品(頻次43、中心性0.02)、哈爾濱工業大學的郭景杰(頻次42、中心性0)、哈爾濱工業大學的丁宏升(頻次41、中心性0)、蒙塔納大學里奧本分校的Mayer S(頻次38、中心性0)、西北工業大學的寇宏超(頻次36、中心性0)、哈爾濱工大學的陳玉勇(頻次33、中心性0.02)。此外，作者合作中心性最高值為0.02，中心性為0.02的作者有林均品、陳玉勇、孔凡濤、肖樹龍和張來啟，反映出鈦鋁合金研究作者尚未在全球各國之間形成緊密聯系，總被引頻次排名前10位作者間的合作主要為中國作者之間的合作，即鈦鋁合金研究領域作者合作呈現出既有分散又有聚集狀態的特點。

圖6 Web of Science數據庫鈦鋁合金研究作者合作共現圖Fig.6 Author cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in Web of Science database

4.5 關鍵詞

關鍵詞共現圖通過對鈦鋁合金研究文獻中作者提供的關鍵詞的分析，揭示出2010～2019年鈦鋁合金研究熱點，詳見圖7，主要包括：微觀組織(頻次555、中心性0.7)、力學性能(頻次379、中心性0.5)、鈦鋁合金(頻次269、中心性0.83)、行為(頻次248、中心性0.03)、合金(頻次168、中心性0.61)、變形(頻次140、中心性0.35)、鈦鋁合金(頻次140、中心性0.41)、相變(頻次125、中心性0.03)、鈦合金(頻次116、中心性0.26)、演變(頻次110、中心性0)等。

圖7 Web of Science數據庫鈦鋁合金研究關鍵詞共現圖Fig.7 Keywords cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in web of science database

4.6 高被引文獻

表2列出了Web of Science數據庫鈦鋁合金研究被引頻次前10的文獻，可以看出除Bewlay等[26]的TiAlAlloysinCommercialAircraftEngines一文發表于2016年之外，其余被引頻次高的文獻都發表于2010～2014年，這些文獻介紹了鈦鋁合金的增材制造、鑄造和熱處理、高Nb鈦鋁合金、粉末冶金等方面的研究成果，具有較高參考價值。其中，排名第1位的為2010年Murr等[27]發表的CharacterizationofTitaniumAluminideAlloyComponentsFabricatedbyAdditiveManufacturingUsingElectronBeamMelting一文，被引頻次210次，反映出該文獻在全球具有高價值和高影響力，該文獻證明了采用電子束熔融沉積(electron beam melting，EBM)制造的Ti-6Al-4V組件在近凈成型和復雜鈦鋁產品中的潛力。

表2 Web of Science數據庫鈦鋁合金研究高被引文獻

5 結 論

采用CiteSpace軟件對鈦鋁合金研究進行可視化分析，基于CNKI數據庫和Web of Science數據庫分別對中外文鈦鋁合金研究進行分析，可以快速找出鈦鋁合金研究領域的機構、作者、關鍵詞及其合作情況等信息。通過數據采集及分類分析，得出以下結論：

(1)鈦鋁合金研究機構方面，國內的研究機構出現頻次最高，但是缺乏與他國的合作力度，國外各機構之間合作力度相對更大。在我國，鈦鋁合金研究機構集中在高校和科研院所，機構之間合作力度也不大。

(2)對鈦鋁合金研究領域的高被引文獻的作者進行分析，結果表明，全球各國作者之間尚未形成緊密合作關系，我國作者之間已形成若干小規模合作群。另外，我國研究作者的文獻引用頻次和影響力總體較國外更高。

(3)鈦鋁合金研究關鍵詞方面，國內外鈦鋁合金研究關鍵詞較為一致，主要包括：微觀組織、力學性能、熱處理、行為、合金、變形等。

(4)盡管對中外文文獻檢索時間段和檢索模式設置不盡相同，但是高被引文獻的時間及內容顯示，國內外圍繞鈦鋁合金材料的研究中，高被引文獻發表主要集中在2010～2016年間。