Cu-Ni-Sn合金因其优异的高强度、热稳定性、耐磨性、抗腐蚀性以及安全无毒等特性，在航空航天、电子器件和核工业等多个高端领域得到了广泛应用。特别是Cu-6Ni-6Sn合金，已成功应用于高功率密度柴油机的连杆衬套等关键部件中。然而传统的铸造工艺在制备此类合金时普遍存在一个显著缺陷——枝晶偏析。在凝固过程中，由于冷却速度相对较慢，Sn元素容易在枝晶间富集，形成粗大的γ相和不连续析出相（DP），导致材料内部组织不均匀，严重影响其力学性能和服役寿命。这种成分偏析不仅降低了合金的整体性能，还往往需要通过后续复杂的固溶处理来加以消除，增加了工艺流程和生产成本。为解决这一问题，研究者们尝试通过添加微量元素或改进铸造工艺来抑制偏析，但效果有限，难以从根本上消除组织的不均匀性。
近年来，粉末冶金技术为解决传统铸造合金的偏析问题提供了新的思路。其中放电等离子烧结（SPS）作为一种快速、高效的新型烧结技术，因其具备烧结温度低、时间短、致密度高以及能有效抑制晶粒长大等优点，被广泛应用于各类金属材料的制备。该技术通过在粉末颗粒间施加脉冲直流电流，产生局部等离子体放电和焦耳热，实现快速加热和致密化，从而有望在短时间内获得组织均匀、性能优良的块体材料。已有研究利用气雾化粉末结合热等静压技术成功抑制了Cu-Ni-Sn合金中的Sn偏析，验证了粉末冶金路线的可行性。不过目前关于采用SPS技术制备Cu-6Ni-6Sn合金的研究仍十分有限，尤其是烧结过程中枝晶偏析的演变行为、不同工艺参数对微观组织与性能的影响机制尚不明确，且SPS制备的合金能否达到甚至超越传统铸造+热处理合金的综合性能，仍需系统验证。因此深入探究SPS工艺下Cu-6Ni-6Sn合金的组织调控与性能优化，对于推动高性能铜合金的短流程、近净成形制造具有重要意义。
针对上述问题，由中北大学组成的研究团队利用泽攸科技ZEM18台式扫描电镜进行了系统研究，该研究采用放电等离子烧结（SPS）技术制备Cu-6Ni-6Sn合金，系统分析了烧结温度及时效时间对合金微观组织、力学性能和摩擦磨损特性的影响，证实了SPS工艺能有效抑制枝晶偏析，并通过优化工艺获得了与传统铸造+热处理工艺相近的综合性能。相关成果以“放电等离子烧结Cu-6Ni-6Sn合金的微观组织与性能分析”为题发表在《特种铸造及有色合金》期刊上。
该论文围绕解决传统铸造Cu-Ni-Sn合金中普遍存在的枝晶偏析问题展开，提出采用放电等离子烧结（SPS）技术结合预合金粉末的粉末冶金新工艺来制备Cu-6Ni-6Sn合金块体材料。研究系统地探究了不同烧结温度（700~900 ℃）以及时效处理时间（0.5~4 h）对合金微观组织演变、力学性能和摩擦磨损特性的影响，并与传统铸造+固溶时效处理的合金进行了性能对比。其核心在于验证SPS技术是否能够有效抑制Sn元素的宏观偏析，实现组织均匀化，并在省去复杂固溶处理步骤的前提下，通过优化烧结与时效工艺获得满足实际应用需求的综合性能。
图 Cu-6Ni-6Sn 合金粉末特征
图 SPS烧结原理及试样示意图
研究首先通过金相显微镜、X射线衍射（XRD）等手段证实，采用气雾化预合金粉末并通过SPS烧结，可以完全消除铸态合金中典型的枝晶偏析，获得成分高度均匀的组织。随着烧结温度升高，烧结驱动力增强，促进了粉末颗粒间的再结晶和晶粒长大，原始粉末边界逐渐消失，致密度维持在98%以上。研究发现，800 ℃为最佳烧结温度，此时晶粒尺寸适中（约23.9 μm），硬度达到峰值，而更高温度导致晶粒过度长大，反而恶化性能。随后的时效处理研究表明，在400℃时效1小时时，合金的硬度和屈服强度达到最佳，这归因于调幅分解和细小弥散的γ相析出所带来的显著析出强化效果。最终，SPS+时效工艺获得的合金综合力学性能与传统铸造+固溶时效工艺相当，验证了该短流程制备技术的可行性。
图 不同状态下 Cu-6Ni-6Sn 铸造试样金相组织
图 烧结后试样金相图、DP 统计图及粒径统计
在摩擦磨损性能方面，研究发现SPS制备的合金在低载荷下表现出优于铸造合金的减摩耐磨特性，其摩擦系数和磨损率均更低。这主要得益于SPS合金晶粒细小、组织均匀以及γ相弥散分布的特点，使其在摩擦过程中表现出以磨粒磨损为主、伴随轻微粘着磨损的机制，而铸造合金则表现出更严重的磨粒磨损特征。
图 800 ℃烧结后试样的SEM图
图 800 ℃烧结试样在不同时间下时效后的金相图
在整个研究过程中，泽攸科技ZEM18台式扫描电镜发挥了至关重要的作用。它被用于对合金的微观组织进行高分辨率、高景深的精细表征，特别是对烧结后及不同时效状态下析出相的形貌、尺寸、分布和生长习性进行观察。例如研究中观察到的晶界处短棒状或不规则形状的不连续析出相（DP）以及晶内点状弥散的γ相，其清晰的形貌特征均依赖于SEM的成像能力。更重要的是，结合能谱分析（EDS）功能，ZEM18电镜能够对这些微小析出相进行原位化学成分分析，如论文中对点A（基体）和点B（DP相）的EDS检测，直接证实了DP相是由α基体和富Sn的γ相共同组成的，为理解合金的析出行为和强化机制提供了关键的微观证据。
图 烧结试样时效1h后SEM图
图 SPS 法制备销试样的对摩表面形貌及划痕纵深
图 铸造法制备销试样的对摩表面形貌及划痕纵深
泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，且购买及维护成本均低于落地式扫描电镜，现已成为许多高校、研究所和企业的首选设备之一。
泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜