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Cu-Ni-Sn合金因其優(yōu)異的高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐磨性、抗腐蝕性以及安全無(wú)毒等特性，在航空航天、電子器件和核工業(yè)等多個(gè)高端領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是Cu-6Ni-6Sn合金，已成功應(yīng)用于高功率密度柴油機(jī)的連桿襯套等關(guān)鍵部件中。然而傳統(tǒng)的鑄造工藝在制備此類合金時(shí)普遍存在一個(gè)顯著缺陷——枝晶偏析。在凝固過(guò)程中，由于冷卻速度相對(duì)較慢，Sn元素容易在枝晶間富集，形成粗大的γ相和不連續(xù)析出相（DP），導(dǎo)致材料內(nèi)部組織不均勻，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和服役壽命。這種成分偏析不僅降低了合金的整體性能，還往往需要通過(guò)后續(xù)復(fù)雜的固溶處理來(lái)加以消除，增加了工藝流程和生產(chǎn)成本。為解決這一問(wèn)題，研究者們嘗試通過(guò)添加微量元素或改進(jìn)鑄造工藝來(lái)抑制偏析，但效果有限，難以從根本上消除組織的不均勻性。

近年來(lái)，粉末冶金技術(shù)為解決傳統(tǒng)鑄造合金的偏析問(wèn)題提供了新的思路。其中放電等離子燒結(jié)（SPS）作為一種快速、高效的新型燒結(jié)技術(shù)，因其具備燒結(jié)溫度低、時(shí)間短、致密度高以及能有效抑制晶粒長(zhǎng)大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類金屬材料的制備。該技術(shù)通過(guò)在粉末顆粒間施加脈沖直流電流，產(chǎn)生局部等離子體放電和焦耳熱，實(shí)現(xiàn)快速加熱和致密化，從而有望在短時(shí)間內(nèi)獲得組織均勻、性能優(yōu)良的塊體材料。已有研究利用氣霧化粉末結(jié)合熱等靜壓技術(shù)成功抑制了Cu-Ni-Sn合金中的Sn偏析，驗(yàn)證了粉末冶金路線的可行性。不過(guò)目前關(guān)于采用SPS技術(shù)制備Cu-6Ni-6Sn合金的研究仍十分有限，尤其是燒結(jié)過(guò)程中枝晶偏析的演變行為、不同工藝參數(shù)對(duì)微觀組織與性能的影響機(jī)制尚不明確，且SPS制備的合金能否達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)鑄造+熱處理合金的綜合性能，仍需系統(tǒng)驗(yàn)證。因此深入探究SPS工藝下Cu-6Ni-6Sn合金的組織調(diào)控與性能優(yōu)化，對(duì)于推動(dòng)高性能銅合金的短流程、近凈成形制造具有重要意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，由中北大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技ZEM18臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該研究采用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)制備Cu-6Ni-6Sn合金，系統(tǒng)分析了燒結(jié)溫度及時(shí)效時(shí)間對(duì)合金微觀組織、力學(xué)性能和摩擦磨損特性的影響，證實(shí)了SPS工藝能有效抑制枝晶偏析，并通過(guò)優(yōu)化工藝獲得了與傳統(tǒng)鑄造+熱處理工藝相近的綜合性能。相關(guān)成果以“放電等離子燒結(jié)Cu-6Ni-6Sn合金的微觀組織與性能分析”為題發(fā)表在《特種鑄造及有色合金》期刊上。

該論文圍繞解決傳統(tǒng)鑄造Cu-Ni-Sn合金中普遍存在的枝晶偏析問(wèn)題展開，提出采用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)結(jié)合預(yù)合金粉末的粉末冶金新工藝來(lái)制備Cu-6Ni-6Sn合金塊體材料。研究系統(tǒng)地探究了不同燒結(jié)溫度（700~900 ℃）以及時(shí)效處理時(shí)間（0.5~4 h）對(duì)合金微觀組織演變、力學(xué)性能和摩擦磨損特性的影響，并與傳統(tǒng)鑄造+固溶時(shí)效處理的合金進(jìn)行了性能對(duì)比。其核心在于驗(yàn)證SPS技術(shù)是否能夠有效抑制Sn元素的宏觀偏析，實(shí)現(xiàn)組織均勻化，并在省去復(fù)雜固溶處理步驟的前提下，通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)與時(shí)效工藝獲得滿足實(shí)際應(yīng)用需求的綜合性能。

圖 Cu-6Ni-6Sn 合金粉末特征

圖 SPS燒結(jié)原理及試樣示意圖

研究首先通過(guò)金相顯微鏡、X射線衍射（XRD）等手段證實(shí)，采用氣霧化預(yù)合金粉末并通過(guò)SPS燒結(jié)，可以完全消除鑄態(tài)合金中典型的枝晶偏析，獲得成分高度均勻的組織。隨著燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，促進(jìn)了粉末顆粒間的再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，原始粉末邊界逐漸消失，致密度維持在98%以上。研究發(fā)現(xiàn)，800 ℃為最佳燒結(jié)溫度，此時(shí)晶粒尺寸適中（約23.9 μm），硬度達(dá)到峰值，而更高溫度導(dǎo)致晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，反而惡化性能。隨后的時(shí)效處理研究表明，在400℃時(shí)效1小時(shí)時(shí)，合金的硬度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最佳，這歸因于調(diào)幅分解和細(xì)小彌散的γ相析出所帶來(lái)的顯著析出強(qiáng)化效果。最終，SPS+時(shí)效工藝獲得的合金綜合力學(xué)性能與傳統(tǒng)鑄造+固溶時(shí)效工藝相當(dāng)，驗(yàn)證了該短流程制備技術(shù)的可行性。

圖 不同狀態(tài)下 Cu-6Ni-6Sn 鑄造試樣金相組織

圖 燒結(jié)后試樣金相圖、DP 統(tǒng)計(jì)圖及粒徑統(tǒng)計(jì)

在摩擦磨損性能方面，研究發(fā)現(xiàn)SPS制備的合金在低載荷下表現(xiàn)出優(yōu)于鑄造合金的減摩耐磨特性，其摩擦系數(shù)和磨損率均更低。這主要得益于SPS合金晶粒細(xì)小、組織均勻以及γ相彌散分布的特點(diǎn)，使其在摩擦過(guò)程中表現(xiàn)出以磨粒磨損為主、伴隨輕微粘著磨損的機(jī)制，而鑄造合金則表現(xiàn)出更嚴(yán)重的磨粒磨損特征。

圖 800 ℃燒結(jié)后試樣的SEM圖

圖 800 ℃燒結(jié)試樣在不同時(shí)間下時(shí)效后的金相圖

在整個(gè)研究過(guò)程中，澤攸科技ZEM18臺(tái)式掃描電鏡發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。它被用于對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行高分辨率、高景深的精細(xì)表征，特別是對(duì)燒結(jié)后及不同時(shí)效狀態(tài)下析出相的形貌、尺寸、分布和生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行觀察。例如研究中觀察到的晶界處短棒狀或不規(guī)則形狀的不連續(xù)析出相（DP）以及晶內(nèi)點(diǎn)狀彌散的γ相，其清晰的形貌特征均依賴于SEM的成像能力。更重要的是，結(jié)合能譜分析（EDS）功能，ZEM18電鏡能夠?qū)@些微小析出相進(jìn)行原位化學(xué)成分分析，如論文中對(duì)點(diǎn)A（基體）和點(diǎn)B（DP相）的EDS檢測(cè)，直接證實(shí)了DP相是由α基體和富Sn的γ相共同組成的，為理解合金的析出行為和強(qiáng)化機(jī)制提供了關(guān)鍵的微觀證據(jù)。

圖 燒結(jié)試樣時(shí)效1h后SEM圖

圖 SPS 法制備銷試樣的對(duì)摩表面形貌及劃痕縱深

圖 鑄造法制備銷試樣的對(duì)摩表面形貌及劃痕縱深

澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購(gòu)買及維護(hù)成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的首選設(shè)備之一。

澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡