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Cu-Ni-Sn合金因其優異的高強度、熱穩定性、耐磨性、抗腐蝕性以及安全無毒等特性，在航空航天、電子器件和核工業等多個高端領域得到了廣泛應用。特別是Cu-6Ni-6Sn合金，已成功應用于高功率密度柴油機的連桿襯套等關鍵部件中。然而傳統的鑄造工藝在制備此類合金時普遍存在一個顯著缺陷——枝晶偏析。在凝固過程中，由于冷卻速度相對較慢，Sn元素容易在枝晶間富集，形成粗大的γ相和不連續析出相（DP），導致材料內部組織不均勻，嚴重影響其力學性能和服役壽命。這種成分偏析不僅降低了合金的整體性能，還往往需要通過后續復雜的固溶處理來加以消除，增加了工藝流程和生產成本。為解決這一問題，研究者們嘗試通過添加微量元素或改進鑄造工藝來抑制偏析，但效果有限，難以從根本上消除組織的不均勻性。

近年來，粉末冶金技術為解決傳統鑄造合金的偏析問題提供了新的思路。其中放電等離子燒結（SPS）作為一種快速、高效的新型燒結技術，因其具備燒結溫度低、時間短、致密度高以及能有效抑制晶粒長大等優點，被廣泛應用于各類金屬材料的制備。該技術通過在粉末顆粒間施加脈沖直流電流，產生局部等離子體放電和焦耳熱，實現快速加熱和致密化，從而有望在短時間內獲得組織均勻、性能優良的塊體材料。已有研究利用氣霧化粉末結合熱等靜壓技術成功抑制了Cu-Ni-Sn合金中的Sn偏析，驗證了粉末冶金路線的可行性。不過目前關于采用SPS技術制備Cu-6Ni-6Sn合金的研究仍十分有限，尤其是燒結過程中枝晶偏析的演變行為、不同工藝參數對微觀組織與性能的影響機制尚不明確，且SPS制備的合金能否達到甚至超越傳統鑄造+熱處理合金的綜合性能，仍需系統驗證。因此深入探究SPS工藝下Cu-6Ni-6Sn合金的組織調控與性能優化，對于推動高性能銅合金的短流程、近凈成形制造具有重要意義。

針對上述問題，由中北大學組成的研究團隊利用澤攸科技ZEM18臺式掃描電鏡進行了系統研究，該研究采用放電等離子燒結（SPS）技術制備Cu-6Ni-6Sn合金，系統分析了燒結溫度及時效時間對合金微觀組織、力學性能和摩擦磨損特性的影響，證實了SPS工藝能有效抑制枝晶偏析，并通過優化工藝獲得了與傳統鑄造+熱處理工藝相近的綜合性能。相關成果以“放電等離子燒結Cu-6Ni-6Sn合金的微觀組織與性能分析”為題發表在《特種鑄造及有色合金》期刊上。

該論文圍繞解決傳統鑄造Cu-Ni-Sn合金中普遍存在的枝晶偏析問題展開，提出采用放電等離子燒結（SPS）技術結合預合金粉末的粉末冶金新工藝來制備Cu-6Ni-6Sn合金塊體材料。研究系統地探究了不同燒結溫度（700~900 ℃）以及時效處理時間（0.5~4 h）對合金微觀組織演變、力學性能和摩擦磨損特性的影響，并與傳統鑄造+固溶時效處理的合金進行了性能對比。其核心在于驗證SPS技術是否能夠有效抑制Sn元素的宏觀偏析，實現組織均勻化，并在省去復雜固溶處理步驟的前提下，通過優化燒結與時效工藝獲得滿足實際應用需求的綜合性能。

圖 Cu-6Ni-6Sn 合金粉末特征

圖 SPS燒結原理及試樣示意圖

研究首先通過金相顯微鏡、X射線衍射（XRD）等手段證實，采用氣霧化預合金粉末并通過SPS燒結，可以完全消除鑄態合金中典型的枝晶偏析，獲得成分高度均勻的組織。隨著燒結溫度升高，燒結驅動力增強，促進了粉末顆粒間的再結晶和晶粒長大，原始粉末邊界逐漸消失，致密度維持在98%以上。研究發現，800 ℃為最佳燒結溫度，此時晶粒尺寸適中（約23.9 μm），硬度達到峰值，而更高溫度導致晶粒過度長大，反而惡化性能。隨后的時效處理研究表明，在400℃時效1小時時，合金的硬度和屈服強度達到最佳，這歸因于調幅分解和細小彌散的γ相析出所帶來的顯著析出強化效果。最終，SPS+時效工藝獲得的合金綜合力學性能與傳統鑄造+固溶時效工藝相當，驗證了該短流程制備技術的可行性。

圖 不同狀態下 Cu-6Ni-6Sn 鑄造試樣金相組織

圖 燒結后試樣金相圖、DP 統計圖及粒徑統計

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

圖 800 ℃燒結后試樣的SEM圖

圖 800 ℃燒結試樣在不同時間下時效后的金相圖

在整個研究過程中，澤攸科技ZEM18臺式掃描電鏡發揮了至關重要的作用。它被用于對合金的微觀組織進行高分辨率、高景深的精細表征，特別是對燒結后及不同時效狀態下析出相的形貌、尺寸、分布和生長習性進行觀察。例如研究中觀察到的晶界處短棒狀或不規則形狀的不連續析出相（DP）以及晶內點狀彌散的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，結合能譜分析（EDS）功能，ZEM18電鏡能夠對這些微小析出相進行原位化學成分分析，如論文中對點A（基體）和點B（DP相）的EDS檢測，直接證實了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化機制提供了關鍵的微觀證據。

圖 燒結試樣時效1h后SEM圖

圖 SPS 法制備銷試樣的對摩表面形貌及劃痕縱深

圖 鑄造法制備銷試樣的對摩表面形貌及劃痕縱深

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現已成為許多高校、研究所和企業的首選設備之一。

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡