揭示Cu-Fe-Si合金凝固行为：富铁颗粒调控的合金设计策略及其在多相不混溶体系中的普适性意义

为解决Cu-Fe-Si合金中富铁颗粒(Fe-rich particles)形貌与分布难以精确调控的问题，研究人员通过热力学计算、热分析和显微结构分析，系统研究了1.0–2.3 wt% Si添加对Cu-10 wt% Fe不混溶合金凝固行为的影响。研究发现，当Si含量为1.4 wt%时，液态-液态相分离(LLPS)稳定化可形成单峰分布的球形颗粒；而ΔTLL-Fe≤86 K是控制颗粒形貌的关键阈值。该成果为不混溶多组分合金体系提供了普适性设计准则。

　　

随着高效能源利用需求的增长，兼具优异导电性和机械性能的先进铜基合金成为研究热点。其中Cu-Fe合金因其独特的电磁屏蔽与力学性能平衡特性，自1950年代起持续受到关注。然而传统Cu-10 wt% Fe合金在轻量化设备应用中面临性能瓶颈，尤其是凝固过程中形成的粗大枝晶状富铁颗粒会损害加工性能和电磁特性。虽然添加Si元素可改善颗粒形貌，但其作用机制和定量控制标准长期缺乏系统研究。

为解决这一难题，国内某研究机构的研究团队通过整合热力学计算、差示扫描量热法(DSC)和显微结构表征技术，揭示了Si含量对Cu-Fe-Si合金凝固路径和富铁颗粒形貌的调控规律。研究发现，当Si含量超过1.3 wt%时，合金凝固过程会先发生液态-液态相分离(LLPS)，随后通过单调反应形成球形Fe-rich颗粒。关键创新在于提出了ΔT_LL-Fe（LLPS起始温度与Fe析出温度差）这一控制参数，当该值≤86 K时可获得均匀分布的球形颗粒。这项发表于《Materials》的研究为不混溶合金体系提供了普适性的显微结构设计准则。

研究采用了多项关键技术：通过Thermo-Calc软件计算三元相图预测LLPS区域；采用电弧等离子熔炼(APM)制备成分精确控制的合金样品；结合DSC测定实际相变温度；利用场发射扫描电镜(FE-SEM)和电子背散射衍射(EBSD)分析显微结构；通过维氏硬度测试和单轴拉伸试验评估力学性能。

研究结果部分，3.1章节通过热力学建模揭示了Cu-Fe-Si体系的混合焓特征，Fe-Cu正混合焓(ΔH_mix=+13 kJ/mol)导致相分离，而Fe-Si强负混合焓(ΔH_mix=-35 kJ/mol)促进Fe-Si化合物形成。3.2章节显示1.4 wt% Si添加时形成单峰分布球形颗粒(平均尺寸1.4 μm)，而高Si含量导致双峰/三峰分布。4.1章节的力学分析表明，球形颗粒分布的CFS1.4合金具有最佳延展性(24%均匀延伸率)，而枝晶结构的CFS1.0易出现界面剥离。4.2章节通过DSC证实，ΔT_LL-Fe增大至196 K时，布朗运动和Ostwald熟化导致颗粒粗化(最大尺寸达3.56 μm)。

结论部分强调，该研究首次建立了ΔT_LL-Fe参数与颗粒形貌的定量关系，提出当LLPS稳定且ΔT_LL-Fe≤86 K时，可获得均匀球形颗粒。这一准则不仅适用于Cu-Fe-Si体系，还可推广至其他不混溶合金系统。研究通过将热力学计算与实验验证相结合，为设计高性能不混溶合金提供了理论框架和方法学指导，在电子器件屏蔽材料和耐磨材料开发中具有重要应用价值。