在航空航天、電子器件等領(lǐng)域，Cu-Ni-Sn 合金憑借高強(qiáng)度、抗腐蝕、安全無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，成為關(guān)鍵部件的 “優(yōu)選材料"—— 比如高功率密度柴油機(jī)的連桿襯套，就依賴其優(yōu)異性能保障運(yùn)行。但長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)鑄造工藝始終受困于 “枝晶偏析" 難題，嚴(yán)重制約合金性能提升。

近日，中北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)借助澤攸科技 ZEM18 臺(tái)式掃描電鏡，開展放電等離子燒結(jié)（SPS）制備 Cu-6Ni-6Sn 合金的系統(tǒng)研究，不僅成功破解偏析困境，更驗(yàn)證了短流程制備技術(shù)的可行性。今天，我們就來(lái)拆解這項(xiàng)研究的核心突破，以及 ZEM18 如何成為微觀組織分析的 “關(guān)鍵助手"。

一、傳統(tǒng)工藝的 “老大難"：枝晶偏析為何難解決？

Cu-Ni-Sn 合金的性能短板，根源在于傳統(tǒng)鑄造的冷卻特性：
當(dāng)合金凝固時(shí)，冷卻速度較慢，Sn 元素易在枝晶間富集，形成粗大的 γ 相和不連續(xù)析出相（DP）。這種成分偏析會(huì)直接導(dǎo)致材料內(nèi)部組織不均，不僅降低耐磨性、強(qiáng)度等關(guān)鍵性能，還需后續(xù)復(fù)雜的固溶處理來(lái)修正 —— 既增加工藝流程，又推高生產(chǎn)成本。

盡管研究者嘗試過(guò)添加微量元素、改進(jìn)鑄造參數(shù)等方法，但始終無(wú)法從根本上消除偏析。直到粉末冶金技術(shù)興起，尤其是放電等離子燒結(jié)（SPS）的出現(xiàn)，才為解決這一問(wèn)題提供了新路徑。

二、SPS 工藝的 “破局關(guān)鍵"：快速燒結(jié)如何實(shí)現(xiàn)組織均勻化？

作為新型粉末冶金技術(shù)，SPS 的核心優(yōu)勢(shì)在于 “快速、低溫、高效"：通過(guò)在粉末顆粒間施加脈沖直流電流，利用局部等離子體放電和焦耳熱實(shí)現(xiàn)快速加熱，既能促進(jìn)材料致密化，又能有效抑制晶粒長(zhǎng)大。

中北大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究，正是圍繞 SPS 工藝展開，重點(diǎn)探索了燒結(jié)溫度（700~900℃） 和時(shí)效時(shí)間（0.5~4h） 對(duì) Cu-6Ni-6Sn 合金的影響，最終得出關(guān)鍵結(jié)論：

偏析消除：采用氣霧化預(yù)合金粉末結(jié)合 SPS 燒結(jié)，可避免鑄態(tài)合金的枝晶偏析，獲得成分高度均勻的組織；

最佳工藝參數(shù)明確：800℃為燒結(jié)溫度，此時(shí)合金致密度達(dá) 98% 以上，晶粒尺寸適中（約 23.9μm），硬度達(dá)到峰值；400℃時(shí)效 1h 時(shí)，通過(guò)調(diào)幅分解和細(xì)小 γ 相析出，合金屈服強(qiáng)度與硬度進(jìn)一步提升；

性能媲美傳統(tǒng)工藝：SPS + 時(shí)效處理的合金，綜合力學(xué)性能與 “鑄造 + 固溶時(shí)效" 工藝相當(dāng)，且省去了復(fù)雜的固溶步驟，實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)；

耐磨性能更優(yōu)：在低載荷條件下，SPS 制備的合金摩擦系數(shù)和磨損率均低于鑄造合金，這得益于其細(xì)小均勻的晶粒和彌散分布的 γ 相，磨損機(jī)制以輕微磨粒磨損為主，而非鑄造合金的嚴(yán)重磨粒磨損。

三、微觀分析的 “核心工具"：ZEM18 如何解鎖組織細(xì)節(jié)？

整個(gè)研究過(guò)程中，澤攸科技 ZEM18 臺(tái)式掃描電鏡扮演了 “微觀世界觀察者" 的關(guān)鍵角色，從形貌表征到成分分析，為研究提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐：

1. 高分辨率成像：捕捉析出相的細(xì)微特征

要理解合金性能的提升機(jī)制，首先需要清晰觀察微觀組織。ZEM18 憑借高分辨率和高景深優(yōu)勢(shì)，成功呈現(xiàn)了不同工藝條件下的組織細(xì)節(jié)：

清晰觀測(cè)到燒結(jié)后晶界處的短棒狀 / 不規(guī)則 DP 相，以及晶內(nèi)點(diǎn)狀彌散的 γ 相；

通過(guò)對(duì)比不同時(shí)效時(shí)間的組織變化（如時(shí)效 0.5h、1h、2h 的金相圖），直觀展現(xiàn)了 γ 相的生長(zhǎng)與分布規(guī)律，為確定最佳時(shí)效時(shí)間提供了直接依據(jù)。

2. 原位 EDS 分析：揭秘析出相的成分本質(zhì)

僅憑形貌無(wú)法解釋性能差異，ZEM18 的能譜分析（EDS）功能，進(jìn)一步揭示了微觀組織的成分秘密：

研究中，團(tuán)隊(duì)通過(guò) ZEM18 對(duì)合金基體（點(diǎn) A）和 DP 相（點(diǎn) B）進(jìn)行原位成分檢測(cè)，直接證實(shí) DP 相由 α 基體和富 Sn 的 γ 相組成 —— 這一關(guān)鍵結(jié)論，為理解合金的析出強(qiáng)化機(jī)制提供了微觀層面的證據(jù)，也解釋了為何 SPS 工藝能提升合金硬度與強(qiáng)度。

3. 便捷高效：適配科研與生產(chǎn)的雙重需求

除了性能優(yōu)勢(shì)，ZEM18 的 “實(shí)用性" 也貼合研究與應(yīng)用場(chǎng)景：

無(wú)需復(fù)雜安裝條件，不挑樓層，適配實(shí)驗(yàn)室多種環(huán)境；

操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人員也能快速上手，降低了微觀分析的門檻；

購(gòu)買與維護(hù)成本低于落地式掃描電鏡，兼顧科研性價(jià)比與企業(yè)生產(chǎn)需求。

四、行業(yè)意義：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的 “橋梁"

這項(xiàng)研究的價(jià)值，不僅在于解決了 Cu-Ni-Sn 合金的制備難題，更為合金的短流程生產(chǎn)提供了新思路：

對(duì)科研領(lǐng)域：驗(yàn)證了 SPS 工藝在抑制偏析、調(diào)控組織方面的有效性，為其他高性能合金的制備提供了參考；

對(duì)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用：省去固溶處理步驟，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，有助于推動(dòng) Cu-Ni-Sn 合金在航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用；

對(duì)檢測(cè)技術(shù)：展現(xiàn)了臺(tái)式掃描電鏡在微觀分析中的核心作用，為材料研發(fā)提供了高效、精準(zhǔn)的工具支持。

目前，該研究成果已發(fā)表于《特種鑄造及有色合金》期刊，為行業(yè)提供了詳實(shí)的技術(shù)參考。而澤攸科技 ZEM 系列臺(tái)式掃描電鏡，也持續(xù)為材料科學(xué)、智能制造等領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)賦能，助力更多技術(shù)突破從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。

如果您也在關(guān)注合金制備、微觀表征等領(lǐng)域，歡迎留言交流，一起探索材料科技的更多可能！