基于CiteSpace的钛铝合金研究可视化分析

鲍芳芳，高 威，冯 新，张爱斌，丁贤飞，南 海

(1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)(2. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095)

1 前 言

在高温结构材料中，钛铝合金密度低、耐热性能好、比强度高、比刚度高，具有良好的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，是综合性能最好的轻质高温合金[1]，被视为新型高推比航空发动机与航天推进系统静止件和转动件极具潜力的候选材料。为促进钛铝合金材料发展，国内外学者从不同角度对钛铝合金进行了诸多研究[2-4]。CiteSpace为Citation Space的简称，是由美国雷德赛尔大学陈超美教授研发的一款可视化文献分析软件，通过该软件能够从海量文献数据中了解到钛铝合金研究中最重要、最关键的有效信息，识别最活跃的研究前沿及发展态势，并能够把钛铝合金研究领域浩如烟海的文献数据以一种多元、分时、动态的引文分析可视化语言展现在一幅引文网络的知识图谱上[5, 6]。2006年该软件开始引入我国[7, 8]，已在不同领域得到了广泛应用，其中，材料领域的应用实践包括储热技术[9]、3D打印技术[10, 11]、阻燃材料[12, 13]、PTC材料[14]、石墨烯材料[15]等，然而，目前从文献计量角度对钛铝合金研究的揭示仍为空白。基于此，本文借助CiteSpace软件对国内外钛铝合金的研究现状及热点进行了可视化分析，深入挖掘钛铝合金领域的相关研究成果，以方便找到国内外钛铝合金研究的差异，为推动我国钛铝合金材料的发展提供参考和借鉴。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

国内文献数据以CNKI数据库为来源。CNKI数据库是目前世界上最大的连续动态更新的中文期刊全文数据库。在CNKI数据库中，文献检索选择高级检索、文献类型选择期刊，将“主题=((钛铝OR钛铝基OR钛铝系OR钛铝金属间OR TiAl OR Ti-Al OR Ti3Al OR TiAl3OR Ti2Al)AND(合金OR化合物))”组成布尔逻辑检索式，时间范围为2010年1月1日至2019年12月31日，数据更新时间为2020年5月27日，检索时间为2020年5月28日，检索获得文献1575篇。

国外文献数据以Web of Science数据库为来源。Web of Science数据库是世界公认的自然科学领域最为重要的评价工具。在Web of Science数据库中，选择Web of Scienc核心合集数据库，文献检索选择高级检索，将“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*) )”组成布尔逻辑检索式，勾选Document Types=(article)，Languages=(English)，More Settings=(science citation index expanded(SCI-expanded)-1900-present)，Custom Year Range=(20100101 to 20191231)，数据更新时间为2020年6月14日，检索时间为2020年6月15日，获得文献1180篇。

2.2 分析方法

对钛铝合金研究的数据统计分析主要运用了Excel和CiteSpace两款软件。其中，检索得到的CNKI数据库和Web of Science数据库文献均以文本文件形式分别保存在Excel和CiteSpace中，通过Excel进行文献统计获取中外文文献数据的基本信息，如文献来源、高被引文献等，通过CiteSpace获取二维矩阵及具有关联关系的可视化图谱，如机构合作、作者合作、关键词共现等。

3 基于CiteSpace对CNKI钛铝合金研究的可视化分析

3.1 文献来源

在CNKI数据库收录期刊中，刊登钛铝合金材料的主要有：《稀有金属材料与工程》、《中国材料进展》、《中国有色金属学报》、《Transaction of Nonferrous Metals Society of China》、《金属学报》、《航空材料学报》、《焊接学报》、《材料工程》、《钛工业进展》。基金来源主要有：国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、国家高技术研究发展计划、航空科学基金、中国博士后科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金、黑龙江省自然科学基金等。

3.2 机构合作

机构合作共现图能够直观显示研究机构及其之间的合作情况，详见图1，图中圆圈越大表明该机构在我国钛铝合金研究领域的出现频次越高，字体越大表明该机构在我国钛铝合金研究领域的影响力越大，圆圈之间的连接线揭示出两机构之间的联系情况，连线越粗表明机构之间联系越紧密。圆圈为具有高中心性的节点，中心性是节点在整体网络中所起连接作用大小的度量，中心性越大表示影响力和重要程度越大，一般而言，中心性大于0.1的节点在网络结构中位置比较重要，在知识结构演变中扮演着重要角色。图1中出现频次10次以上的机构包括：中南大学粉末冶金国家重点实验室(频次61、中心性0.04)、哈尔滨工业大学材料科学与工程学院(频次60、中心性0.05)、西北工业大学凝固技术国家重点实验室(频次50、中心性0)、哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室(频次41、中心性0)、中国科学院金属研究所(频次38、中心性0)、中南大学材料科学与工程学院(频次33、中心性0.02)、北京科技大学新金属材料国家重点实验室(频次29、中心性0.05)、南京航空航天大学材料科学与技术学院(频次27、中心性0)、钢铁研究总院高温材料研究所(频次24、中心性0)、西北有色金属研究院(频次20、中心性0.01)等。合作共现图揭示出：我国钛铝合金研究机构集中在高校和专业研究院所，机构之间合作力度不大。

图1 CNKI数据库钛铝合金研究机构合作共现图Fig.1 Institution cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.3 作者合作

作者合作共现图(图2)中的每位学者均从不同角度对钛铝合金进行了深入思考与研究，并对后续研究产生了重要影响。图2各节点中圆圈越大，表明作者文章的被引用频次越高、影响力越大，其中，被引频次较为突出的作者有：钢铁研究总院的张继、中南大学的刘咏、哈尔滨工大学的陈玉勇、北京科技大学的林均品、钢铁研究总院的朱春雷和哈尔滨工业大学的傅恒志，这些作者的论文引用频次均在20次以上。从图2可以看出，这些作者的合作情况整体呈现出既有分散又有连接的状态，反映出我国钛铝合金研究领域已形成若干小规模合作群，其中，中心性最高值为0.01，中心性值为0.01的作者有：张继(频次52)、刘咏(频次34)和朱春雷(频次22)。

图2 CNKI数据库中钛铝合金研究作者合作共现图Fig.2 Author cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.4 关键词

关键词共现图能够揭示出该领域研究热点及其发展脉络，如果某一时期钛铝合金领域的某一关键词出现频次高，意味着该关键词是该时期、钛铝合金领域的研究热点。图3给出了钛铝金合金领域的关键词共现图，图中圆圈越大表明该关键词在文献中出现频次越高，圆圈旁字体越大表明该关键词中心性越强，圆圈间连线越粗表明两者之间相关性越强。通过关键词的频率、中心性及相互之间的联系，可以直观地看出在某一时期内研究者所共同关注的热点。连线纵横交错，说明关键词之间联系非常紧密，可能经常选择性地被研究者放在同一个模型中进行观察。中心度较高的关键词在共现网络结构中处于中心位置，是当前学术研究者比较关心的问题，在研究方向的扩展中有重要作用，预示着未来的发展趋势。具体来看，钛铝金合金材料的研究点主要包括：TiAl合金(频次196、中心性0.09)、力学性能(频次149、中心性0)、显微组织(频次86、中心性0.27)、钛合金(频次95、中心性0.13)、微观组织(频次86、中心性0.27)、TiAl基合金(频次83、中心性0.31)、金属间化合物(频次66、中心性0.31)、热处理(频次64、中心性0.2)、晶粒细化(频次33、中心性0.2)、高温氧化(频次31、中心性0.19)等方面。在这些关键词节点中，TiAl合金的节点最大，引用频次最高。

图3 CNKI数据库钛铝合金研究关键词共现图Fig.3 Keywords co-occurrence map of titanium aluminum alloy in CNKI database

3.5 高被引文献

高被引文献即引用频次较高的文献，此类文献的作者影响力较大、文献中的发现可能是该研究领域的“关键转折点”。表1列出了钛铝合金研究领域在CNKI数据库中至本文作者检索之日总引用次数排名前10的高被引文献，可以看出：被引频次较高的文献均发表于2010年及之后，表明在2010年及之后我国钛铝合金材料领域研究质量明显提升，具体文献主题包括钛铝合金材料的研究进展、制备技术及应用情况。其中，排名第一位的为2010年林均品等[16]发表的《轻质γ-TiAl金属间化合物的研究进展》，被引用126次，介绍了γ-TiAl基金属间化合物的发展过程、成分-组织-性能-制备关系、产业化及应用，指出北京科技大学发展的高Nb-TiAl金属间化合物为国内外TiAl基金属间化合物发展的重点方向。排名第二位的为2010年张建伟等[17]发表的《Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究与应用》，被引用122次，介绍了钢铁研究总院Ti3Al和Ti2AlNb合金的研究与应用进展，包括系统的合金化和组织结构的设计、建立具有自主知识产权的高韧性合金体系、建立合金制备加工工艺技术等。排名第三位的为2015年杨锐[18]发表的《钛铝金属间化合物的进展与挑战》，被引用118次，介绍了钛铝金属间化合物的4个阶段研发历程、6个方面主要进展和5个未来挑战。

表1 CNKI数据库钛铝合金研究高被引文献

4 基于CiteSpace对Web of Science钛铝合金研究的可视化分析

4.1 文献来源

在Web of Science收录的数据库期刊中，刊登钛铝合金的主要有：Intermatallics，MaterialsScienceandEngineeringA-structuralMaterialsProperitiesMicrostructureandProcessing，JournalofAlloysandCompounds，ActaMaterialia，Materials，Materials&Design，SurfaceandCoatingsTechnology，TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina，RareMetalMaterialsandEngineering等。基金来源主要有：中国国家自然科学基金(National natural science foundation of China)、中国国家基础研究计划(National basic research program of China)、中央大学基础研究经费(Fundamental research funds for the central universities)、中国博士后科学基金(China postdoctoral science foundation)、德国研究基金会(German research foundation DFG)、中国国家高技术研究发展计划(National high technology research and development program of China)等。

4.2 国家合作

国家合作共现图直观显示了钛铝合金研究国家及其之间的合作情况，如图4，其中，频次为10以上的国家包括：中国(频次687、中心性0.07)、德国(频次120、中心性0.14)、美国(频次69、中心性0.07)、奥地利(频次66、中心性0.31)、俄罗斯(频次63、中心性0.07)、法国(频次45、中心性0.21)、日本(频次44、中心性0.02)、英国(频次41、中心性0.41)、印度(频次30、中心性0.07)、波兰(频次27、中心性0.14)、澳大利亚(频次25、中心性0.79)、意大利(频次23、中心性0.63)、韩国(频次22、中心性0)、捷克(频次21、中心性0.16)、伊朗(频次20、中心性0)、西班牙(频次19、中心性0)、加拿大(频次19、中心性0.24)、斯洛伐克(频次14、中心性0.1)、瑞士(频次14、中心性0.95)、乌克兰(频次13、中心性0)、瑞典(频次13、中心性0.38)。统计数据表明，在钛铝合金研究的主要国家中，中国频次最高但是缺乏与他国的合作力度，国外研究合作力度相对大、其频次总和(704)比中国(687)略高。

图4 Web of Science数据库钛铝合金研究国家合作共现图Fig.4 Country cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy research in Web of Science database

4.3 机构合作

研究机构合作共现图直观显示了钛铝合金研究机构及其之间的合作情况，如图5。图中，频次10次以上的研究机构包括：哈尔滨工业大学(频次166，中心性0.15)、西北工业大学(频次82，中心性0.35)、北京科技大学(频次78，中心性0.36)、中国科学院(频次53，中心性0.28)、奥地利里奥本大学(频次47，中心性0.39)、中南大学(频次45，中心性0.17)、德国亥姆霍兹研究所(频次36，中心性0.37)、北京航空航天大学(频次23，中心性0.09)、俄罗斯科学院(频次23，中心性0.02)、北京航空材料研究院(频次21，中心性0.11)、南京航空航天大学(频次14，中心性0)、英国伯明翰大学(频次13，中心性0.05)、重庆大学(频次11，中心性0)。此外，通过研究机构的中心性数据可以发现，研究机构之间的合作并不多，其中，合作较多的为奥地利里奥本大学和德国亥姆霍兹研究所，其他机构间的合作明显较少，反映出全球大部分专家学者还处于独立研究状态，这不利于钛铝合金研究科研效率与效果的提升。

图5 Web of Science数据库钛铝合金研究机构合作共现图Fig.5 Institution cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in Web of Science database

4.4 作者合作

研究作者合作共现图(图6)表明，钛铝合金研究领域相关论文中被引用频次最高的作者为Clemens H，排名在其之后的几位作者被引用的频次相差并不大，详见图6。截止本文作者检索之日，在Web of Science数据库中，钛铝合金领域总被引频次排名前10位的作者有：里奥本大学的Clemens H(频次50、中心性0)、西北工业大学和哈尔滨工业大学的傅恒志(频次45、中心性0)、哈尔滨工业大学的陈瑞润(频次43、中心性0)、西北工业大学的李金山(频次43、中心性0)、北京科技大学的林均品(频次43、中心性0.02)、哈尔滨工业大学的郭景杰(频次42、中心性0)、哈尔滨工业大学的丁宏升(频次41、中心性0)、蒙塔纳大学里奥本分校的Mayer S(频次38、中心性0)、西北工业大学的寇宏超(频次36、中心性0)、哈尔滨工大学的陈玉勇(频次33、中心性0.02)。此外，作者合作中心性最高值为0.02，中心性为0.02的作者有林均品、陈玉勇、孔凡涛、肖树龙和张来启，反映出钛铝合金研究作者尚未在全球各国之间形成紧密联系，总被引频次排名前10位作者间的合作主要为中国作者之间的合作，即钛铝合金研究领域作者合作呈现出既有分散又有聚集状态的特点。

图6 Web of Science数据库钛铝合金研究作者合作共现图Fig.6 Author cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in Web of Science database

4.5 关键词

关键词共现图通过对钛铝合金研究文献中作者提供的关键词的分析，揭示出2010～2019年钛铝合金研究热点，详见图7，主要包括：微观组织(频次555、中心性0.7)、力学性能(频次379、中心性0.5)、钛铝合金(频次269、中心性0.83)、行为(频次248、中心性0.03)、合金(频次168、中心性0.61)、变形(频次140、中心性0.35)、钛铝合金(频次140、中心性0.41)、相变(频次125、中心性0.03)、钛合金(频次116、中心性0.26)、演变(频次110、中心性0)等。

图7 Web of Science数据库钛铝合金研究关键词共现图Fig.7 Keywords cooperation co-occurrence map of titanium aluminum alloy in web of science database

4.6 高被引文献

表2列出了Web of Science数据库钛铝合金研究被引频次前10的文献，可以看出除Bewlay等[26]的TiAlAlloysinCommercialAircraftEngines一文发表于2016年之外，其余被引频次高的文献都发表于2010～2014年，这些文献介绍了钛铝合金的增材制造、铸造和热处理、高Nb钛铝合金、粉末冶金等方面的研究成果，具有较高参考价值。其中，排名第1位的为2010年Murr等[27]发表的CharacterizationofTitaniumAluminideAlloyComponentsFabricatedbyAdditiveManufacturingUsingElectronBeamMelting一文，被引频次210次，反映出该文献在全球具有高价值和高影响力，该文献证明了采用电子束熔融沉积(electron beam melting，EBM)制造的Ti-6Al-4V组件在近净成型和复杂钛铝产品中的潜力。

表2 Web of Science数据库钛铝合金研究高被引文献

5 结 论

采用CiteSpace软件对钛铝合金研究进行可视化分析，基于CNKI数据库和Web of Science数据库分别对中外文钛铝合金研究进行分析，可以快速找出钛铝合金研究领域的机构、作者、关键词及其合作情况等信息。通过数据采集及分类分析，得出以下结论：

(1)钛铝合金研究机构方面，国内的研究机构出现频次最高，但是缺乏与他国的合作力度，国外各机构之间合作力度相对更大。在我国，钛铝合金研究机构集中在高校和科研院所，机构之间合作力度也不大。

(2)对钛铝合金研究领域的高被引文献的作者进行分析，结果表明，全球各国作者之间尚未形成紧密合作关系，我国作者之间已形成若干小规模合作群。另外，我国研究作者的文献引用频次和影响力总体较国外更高。

(3)钛铝合金研究关键词方面，国内外钛铝合金研究关键词较为一致，主要包括：微观组织、力学性能、热处理、行为、合金、变形等。

(4)尽管对中外文文献检索时间段和检索模式设置不尽相同，但是高被引文献的时间及内容显示，国内外围绕钛铝合金材料的研究中，高被引文献发表主要集中在2010～2016年间。