钛合金3D打印颠覆性创新研究的知识图谱分析

程豪 张峥

摘 要：为了解当前国际钛合金3D打印颠覆性创新研究的现状及趋势，以Web of Science中钛合金3D打印颠覆性创新的350篇文献为数据池，借助于CiteSpace软件进行文献科学计量分析。对三维分布、国家合作网络、机构分布、主要期刊、关键人物进行分析，以了解钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的基本情况;对关键词、突显词共现分析进行研究，以了解钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的热点;对高被引文献进行分析，以了解钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的重要基础知识。研究表明：近几年来钛合金3D打印颠覆性创新研究处于快速发展阶段;核心机构是北京航空航天大学、西北工业大学等;核心期刊是MAT SCI ENG A-STRUCT、ACTA MATER等;核心作者是Murr、THIJSL等;热点主题是微观结构、增材制造等;一些作者的高被引文献构成学术研究的重要基础。分析结果有助于学者把握该研究领域的现状和发展趋势，还可为钛合金3D打印颠覆性创新的后续研究提供参考。

关键词：CiteSpace;钛合金;3D打印;颠覆性创新;知识图谱

中图分类号：G302   文献标识码：A   文章编号：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）技术已成为一种颠覆性的新兴制造方式[1]。《Harvard Business Review》列举了未来10大颠覆性创新，其中3D打印位于未来10大颠覆性创新之首[2]。相对于传统的“减材制造”技术，3D打印是一种“增材制造”技术。它是通过对材料的自下而上逐步分层、叠加、积累的方式实现制造，是一种制造技术与数字化的融合[3]。相对于传统的制造技术，3D打印从设计模型到制成品的一次成型，无需传统的磨具、刀具，克服了繁琐工艺、复杂结构难以顺利制造的障碍，大大缩短了制造的周期[4]。

在国际金属材料的研究与应用中，钛合金3D打印技术方兴未艾[5]。国内外专家学者对于钛合金3D打印技术高度关注，颠覆性创新研究日趋广泛，发表论文的数量也在不断增加[6-7]。但在其纷繁复杂的研究文献中，进行可视化展示的相关研究较少且缺乏信息可视化的总体脉络。因此，为便于国内学者更加直观地了解钛合金3D打印颠覆性创新领域的研究现状及热点，文中运用信息可视化分析工具CiteSpace进行知识图谱分析，借助CiteSpace软件对钛合金3D打印颠覆性创新领域的350篇文献进行可视化分析[8]。对三维分布和国家、机构的合作网络分析及期刊、作者的共被引分析进行研究，以了解该研究领域的现状;对关键词、突显词的共现分析进行研究，以了解该研究领域的热点;对高被引文献进行分析，以了解该研究领域的基础知识[9]。通过对数据库获取的精炼文献进行分析和探讨该领域的研究动态，以期为钛合金3D打印颠覆性创新的进一步研究提供参考和理论基础。

1 材料与研究方法

1.1 数据来源

Web of Science（WoS）核心合集是获取全球学术信息的重要数据库，收录了论文中所引用的参考文献，并按照被引作者、出处和出版年代编成独特的引文索引。文中于2018年6月份在数据库Web of Science核心合集中收集数据，保证了研究结果的相对科学性，根据钛合金3D打印颠覆性创新的研究主题，限定“主题（Titanium Alloy Additive Manufacturing）”or “主题（3D Printing Disruptive Innovation）”，“文献类别=Materials Science Multidisciplinary？or Metallurgy Metallurgical Engineering or Management or Operations Research Management Science or Business or Economics”，“文献类型=Article”，“时间跨度=2008—2017”对英文文献进行精炼，去除无效记录，共计检索出有效文献350篇，其中每条记录包括文献的作者（Authors）、题目（Title）、摘要（Abstract）和文献引文（Reference），以纯文本的格式进行保存，记录内容为全记录与引用的参考文献。

1.2 研究方法

CiteSpace是由美国德雷塞尔大学陈超美教授开发，运用科学计量学，对数据和信息进行可视化分析，使复杂的信息变得直观形象，以挖掘科学分析中蕴含的潜在规律，得到知识图谱的引文可视化分析的Java应用程序软件。文中运用CiteSpace V软件，以钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的文献为研究对象，对从Web of Science中精炼得到的350篇文献进行合作网络分析、共现分析、共被引分析，得到所需的知识图谱，廓清钛合金3D打印颠覆性创新领域的研究情况。

2 结果与分析

2.1 发文量年度分布

为了对所精炼的350篇文献有一个更加清晰的了解，文中首先对所精炼的350篇文献进行描述性统计分析。从发文数量年度统计中可以看出，2008—2017年这10年间，钛合金3D打印颠覆性创新可分为起步发展、稳定发展、快速发展3个研究阶段：2008—2010年年发文量小于5篇，处于起步发展阶段;2011—2013年年发文量为10-20篇，处于稳定发展阶段;2014—2017年发文量达到30篇以上，处于快速发展阶段。总体上论文发表数量逐年上升，客观地揭示了钛合金3D打印颠覆性研究从缓慢到快速的发展态势，这说明钛合金3D打印颠覆性创新已逐步成为学者专家关注的研究热点（如图1）。

2.2 国家合作网络分析

将从Web of Science中检索得到的数据导入CiteSpace V软件中，网络节点选择Country，节点阈值选择Top50，连线强度选择Cosine算法。利用CiteSpace软件对检索的350篇文献进行分析，生成钛合金3D打印国家合作网络图谱。图谱（如图2）中，同心圆（节点）代表国家，颜色代表论文的发表年份。如图谱中深蓝色同心圆代表2009年的瑞典和俄罗斯，说明瑞典和俄罗斯相对于其他国家关于钛合金3D打印颠覆性创新的研究较早。知识图谱中同心圆越大，说明论文发表频次越高。由图谱分析可得，美国、中国、德国、澳大利亚在钛合金3D打印颠覆性创新研究领域实力强劲，并且辐射带动作用突出[10-13]。

钛合金3D打印颠覆性创新领域发表论文数量前五的国家见表1，这说明美国、中国、德国、英格兰、澳大利亚具有较强的研究实力。其中美国和中国在该研究领域一骑绝尘，发文量高达80余篇，遥遥领先于其他国家。

2.3 机构合作网络分析

将从Web Of Science中检索到的数据导入CiteSpace V软件中，网络节点选择Institution，设置节点阈值选择Top 10，连线强度选择Cosine算法，得到关于机构合作网络的图谱。图谱（如图3）中，节点的大小表示该机构的发文数量，之间的连线反映机构间的合作关系强度。

由图3可知，全球钛合金3D打印颠覆性创新领域的主要研究机构是高校，如北京航天航空大学（Beihang University）、宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）等。但除了北京航天航空大学（Beihang University）、克兰菲尔德大学（Cranfield University）、曼彻斯特大学（The University of Manchester）之间的交流相对较多，大部分研究机构都没有连线，合作关系分散，合作强度较弱。

关于钛合金3D打印颠覆性创新领域发文量前5名的主要机构排名见表2，发文量全部大于10篇。其中，北京航空航天大學（Beihang University）在该研究领域的实力最强，发文量高达17篇，超过了西北工业大学（Northwestern Polytechnical University）、宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）等研究机构。此外，结合图3分析可得，2009年西北工业大学就在Web of Science中发表了相关的研究成果，属于机构当中出成果较早的，在图中呈现的整体影响力也较大。

2.4 期刊共被引分析

将从Web of Science中检索到的数据导入CiteSpace V软件中，网络节点选择Cited Journal，时间片段为1年，节点阈值选择Top 50，连线强度选择Cosine.利用CiteSpace软件对期刊共被引进行可视化的展示和排序，节选共被引频次前10种期刊，得到期刊共被引频次排序见表3.由表3可以得出，共被引频次最高的是工程技术期刊MAT SCI ENG A-STRUCT（Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing），MAT SCI ENG A-STRUCT是工程技术类的核心期刊，共被引次数高达282次，说明作为经典研究期刊的MAT SCI ENG A-STRUCT在钛合金3D打印颠覆性创新领域占有十分重要的地位;其次是材料类顶级期刊ACTA MATER（Acta Materialia），ACTA MATER主要刊登的是关于金属方面的研究，共被引频次为248次;第三是材料加工技术期刊J MATER PROCESS TECH（Journal of Materials Processing Technology），J MATER PROCESS TECH是关于材料类的核心期刊，共被引次数为209次。可见以上3种期刊论文的数量和质量都在钛合金3D打印颠覆性创新领域占有重要的地位。

2.5 作者共被引分析

对作者进行共被引分析可以发现钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的领军人物。将从Web of Science中检索到的数据导入CiteSpace V软件中，网络节点选择Cited Author，利用CiteSpace软件对作者共被引进行可视化的展示。作者共被引分析反映了钛合金3D打印颠覆性创新领域作者合作强度的关系。作者对应的节点半径越大，说明该作者的被引频次越高，在该领域内越权威。

从图谱（如图4）中，可以看出整个图谱的网络密度比较低，作者的被引频次虽然不少，但是没有突出的最大引文年环，说明没有真正形成的研究团簇，研究广泛而不专，钛合金3D打印颠覆性创新领域的研究水平需进一步提高。

由表4可以看出，美国学者Murr拥有最大的引文年环（114次），Murr对钛合金3D打印颠覆性创新领域的钛合金的组织和力学性能问题进行了开创性研究，是钛合金3D打印颠覆性创新领域的领军人物[14-15];其次是荷兰学者THIJS L（70次），THIJS L紧密围绕钛合金3D打印做了很多原创性研究[16-17];第三是德国学者THIJS L（G.Lutjering）（64次），THIJS L从不同方面对钛技术现状进行了全面的总结，包括钛的基本性质和物理冶金学、提取冶金学、不同的生产工艺、加工微结构和性质之问的关系以及包括经济因素在内的所有应用方面。

2.6 关键词共现分析

关键词是文献核心内容的提炼和研究主题的高度概括，CiteSpace软件通过对关键词的共现网络进行可视化，展现出钛合金3D打印颠覆性创新领域的热点。在软件中选择Keyword节点，阀值选择30，时间片段选为1，运行软件，得到关键词共现图谱（如图5）。图谱中的节点半径越大，说明关键词出现的频数越高。

由图5和表5可以看出，“Microstructure（微观结构）”、“additive manufacturing（增材制造）”、“mechanical property（机械性能）”、“additive alloy（添加剂合金）”、“titanium（钛）”是钛合金3D打印颠覆性创新领域最关键的5个热点关键词。其中，“Microstructure（微观结构）”频数最高，是关键词共现图谱中最重要节点，通过对钛合金“Microstructure（微观结构）”的研究，可以了解钛合金各方面的性能，从而实现多种材料的铸造，大大降低制造成本，提高制造效率和加工质量。中介中心性是测度节点在网络中重要性的指标，中介中心性越高，在共现网络中的影响力就越大。中介中心性不小于0.1的关键词有6个，分别是“Microstructure（微观结构）”、“additive manufacturing（增材制造）”、“mechanical property（机械性能）”、“additive alloy（添加剂合金）”、“evolution（演化）”、“deposition（沉积）”[18]。“additive manufacturing（增材制造）”的中心度更是达到了0.46，说明增材制造在该领域处于十分重要的地位。

2.7 突显词共现分析

CiteSpace软件提供了独特的突显词探测技术，在软件中点击Burstness，再点击View进行查看，可得到钛合金3D打印颠覆性创新研究领域变化频数较大的前14个突显词。由表6可以看出，近几年变化较大的gradient material（梯度材料）、heat treatment（热处理）、power diode laser（功率二极管激光器）、aluminum foam（铝泡沫）、Ti-6Al-4V alloy（Ti-6Al-4V合金）是钛合金3 D打印颠覆性创新领域的重要热点和研究方向。

2.8 知识基础文献

对数据进行文献共被引分析可以发现钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的关键文献，通过CiteSpace软件对文献信息进行可视化，便于学者直观了解学科前沿的演化路径和基础文献。高被引文献为检索和研究热点提供了方向性指標，是高质量、高水平的研究成果，具有极高的研究价值。为了更加深刻地把握钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的发展情况，将原始数据导入CiteSpace软件，选择“cite reference”为节点，得到图6所示的共被引文献可视化图谱。

由图6和表7可知，英国学者Bermani发表的文献被引频数最多，他在2010年发表的《冶金和材料学报A-物理冶金和材料科学》中，深入探讨了电子束熔化Ti-6Al-4V的微观结构多样性、织构和力学性质的起源;仔细研究了钛合金3D打印在标准操作条件下实现的微观结构、织构和机械性能[19]。其次是美国学者Murr，他通过电子束熔化添加网状Ti-6Al-4V生物医学网状结构的分层制造和对EBM法Ti-6Al-4V合金的组织和力学性能进行了深入研究，并与锻态的Ti-6Al-4V合金进行对比。研究论证了利用EBM法可制备出与锻态合金强度和塑性相当的Ti-6Al-4V合金，并可应用于医疗植入件的制备中，将钛合金3D打印技术应用于三维网状结构钛合金支架结构制造，克服了传统制造方法中存在的支架复杂外形制造困难和内部微结构无法控制的缺陷，突破了受支架几何结构复杂性的限制。在2010和2011年，德国学者Baufeld所发表的文献围绕钛合金3D的线材添加层制造，对激光束沉积和成形金属沉积制备Ti-6Al-4V组分的微观结构和力学性能进行了比较。Baufeld指出关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用，将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光、金属交互作用行为及能量吸收利用机制[20]。这些高被引文献共同构成了近几年研究钛合金3D打印颠覆性创新领域的重要基础知识，帮助学者打下研究该领域问题的基础。

3 結 语

文中利用信息可视化软件CiteSpcce V，以Web of Science核心合集中2008—2017年350篇关于钛合金3D打印颠覆性创新研究文献为数据池，对全球范围的钛合金3D打印颠覆性创新研究分别进行国家、机构、期刊、作者、研究热点及研究基础进行系统深入的可视化分析，绘制图谱。

1）钛合金3D打印颠覆性创新研究领域具有较强实力的国家主要有美国、中国、德国、英格兰、澳大利亚，其中美国和中国在该领域的研究实力最强。

2）通过国家合作网络分析，发现钛合金3D打印颠覆性创新研究领域发文量较多的机构主要有：北京航空航天大学、西北工业大学、宾夕法尼亚大学、克兰菲尔德大学、曼彻斯特大学等。

3）通过期刊共被引分析，可知在钛合金3D打印颠覆性创新研究领域中，MAT SCI ENG A-STRUCT，ACTA MATER，J MATER PROCESS TECH这3种期刊上所发表的论文被引频次比较高，在数量以及质量上都具备参考意义。

4）通过作者共被引分析，可知钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的关键人物有美国学者Murr、荷兰学者THIJSL、德国学者LUTJERING G等人。

5）通过关键词分析，可知微观结构、增材制造、机械性能、添加剂合金等已成为钛合金3D打印颠覆性创新领域的研究热点，通过突显词分析，发现近几年钛合金3D打印颠覆性创新的前沿集中偏向于Ti-6AL-4V合金技术的分析以及问题的解决。

6）通过文献共被引分析，发现了一些对钛合金3D打印颠覆性创新研究发展有深远影响的重要文献，这些文献具有较高的中心度。它们构成了钛合金3D打印颠覆性创新研究领域的重要基础知识。

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（責任编辑：王 强）