Cu-15Ni-8Sn合金中调幅分解、亚稳有序化与不连续析出的动力学机制研究

为解决Cu-15Ni-8Sn合金在热暴露过程中因不连续析出导致的软化和脆化问题，研究人员采用同步辐射X射线衍射(sXRD)结合原子探针断层扫描(APT)和电子显微技术，原位追踪了该合金在395°C时效过程中的相变动力学。研究发现调幅分解(Spinodal Decomposition)伴随γ′-L12和γ″-D022亚稳有序相的形成，而不连续析出(Discontinuous Precipitation)则生成γ和δ相。该研究为优化合金时效工艺提供了关键动力学数据。

　　

在航空航天、电子设备和海洋工程等高端装备领域，高强高导铜合金扮演着关键角色。其中Cu-15Ni-8Sn（wt%）合金因其优异的强度、耐腐蚀性和抗应力松弛性能，被广泛应用于制造承力构件。该合金的强度主要来源于时效过程中发生的调幅分解（Spinodal Decomposition）以及随后形成的亚稳有序相（γ′-L1₂和γ″-D0₂₂）。然而，当时效时间过长或温度不当时，合金中会发生不连续析出（Discontinuous Precipitation），形成脆性金属间化合物（如γ-D0₃和δ-D0_a相），导致合金软化和脆化，严重损害其使用性能。因此，精确揭示该合金在时效过程中的相变序列与动力学规律，对于调控其微观组织、优化力学性能具有重要意义。

以往研究多采用实验室X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）等离位（ex situ）表征手段，存在空间分辨率低、信号弱、统计性差以及难以捕捉瞬态相变等问题。特别是对于亚稳有序相（如γ′和γ″），由于其衍射信号弱且易与其他相重叠，传统XRD难以有效探测，而TEM又只能提供局部信息，无法反映整体相变过程。此外，关于不连续析出的动力学研究通常仅基于少数时效时间点，导致Avrami指数（用于描述相变动力学）的测算存在较大不确定性。因此，迫切需要一种能够实时、原位、统计性地追踪多种相变过程的高通量研究手段。

为解决上述问题，由剑桥大学材料科学与冶金系H.J. Stone教授团队领衔，联合欧洲同步辐射装置（ESRF）的研究人员，利用高分辨率同步辐射X射线衍射（sXRD）技术，对Cu-15Ni-8Sn合金在395°C下的时效过程进行了原位监测。研究同时结合了原子探针断层扫描（APT）、扫描电镜（SEM）和扫描透射电镜（STEM）等离位分析手段，从成分、结构、形貌多个维度揭示了该合金的相变机制。相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）采用同步辐射光源（ESRF-ID22光束线）进行原位高分辨率X射线衍射实验，波长0.35427??，时间分辨率约2分钟，并利用多通道分析器与CdTe探测器获得高信噪比衍射数据；2）利用原子探针断层扫描（APT）分析初始态合金的成分起伏与元素簇聚；3）通过扫描电镜（SEM）和扫描透射电镜（STEM）结合能谱（EDX）分析时效后样品的显微组织与成分分布。研究所用Cu-15Ni-8Sn合金由Materion公司以ToughMet? 3商用牌号提供，经ICP-OES测定其成分为Cu为基，Ni 15.0±0.1 wt%，Sn 7.7±0.1 wt%，Mn 0.2±0.1 wt%。

3.1. Microstructure in the as-received condition

初始态合金由平均粒径约40 μm的等轴晶组成，晶界处存在不规则形状的明亮衬度析出相。同步辐射XRD仅检测到面心立方α相的衍射峰，但{200}等晶面衍射峰表现出明显的不对称性，拟合优度R2较低。APT分析表明，合金中存在Ni元素富集区（簇聚），其尺度在数纳米范围内，导致晶格发生四方畸变，从而引起衍射峰的非对称宽化。

3.2. Microstructural evolution during ageing

时效初期（0–3小时），在α相{200}等基础衍射峰两侧出现调幅分解特有的卫星峰。同时在低角度区（2θ≈5.5°和6.1°）出现瞬态衍射强度，对应于亚稳相γ″-D0₂₂的{002}和{101}超点阵反射。随着时效进行，卫星峰逐渐锐化并向主峰移动，同时α相衍射峰逐渐被晶格常数更小的贫溶质α′相取代。2小时以后，开始出现γ和δ平衡相的衍射峰。

3.3. Analyses of the diffraction data

通过Daniel-Lipson方程计算调幅分解波长λ，发现其随时效时间呈幂律增长，拟合指数为3.1±0.7，符合LSW扩散控制粗化理论。对超点阵衍射峰进行积分分析表明，γ′和γ″相的衍射强度在0.5小时达到峰值后逐渐下降，与此同时γ和δ相的衍射强度持续上升至3小时后趋于平稳。值得注意的是，γ相的峰面积在5小时后开始下降，表明其可能为亚稳相。

3.4. Microstructural characterisation after ageing

经12.75小时时效后，SEM和STEM分析显示晶界处存在不规则析出相，晶内则为层片状不连续析出组织。EDX面扫描证实析出相中富集Ni和Sn，而基体（α′相）中富Cu。这表明γ和δ相主要通过不连续析出机制形成，并与贫溶质α′相共生。

4. Discussion

研究通过多维分析揭示了Cu-15Ni-8Sn合金的复杂相变序列：初始态中已存在纳米尺度的成分起伏；当时效开始时，首先发生调幅分解，形成成分调制结构；随后在Sn富集区形成亚稳有序相γ″-D0₂₂（可能还有γ′-L1₂）；最终通过不连续析出形成γ和δ相，其中γ相可能为亚稳相，在长时间时效后逐渐被δ相取代。不连续析出的动力学符合Avrami模型，指数为2.3±0.1，反映了晶界形核与生长机制的同时，也受到调幅分解等连续析出过程的影响。

该研究的重要意义在于首次采用原位sXRD技术同步捕获了Cu-15Ni-8Sn合金中调幅分解、有序化和不连续析出三种相变的动力学过程，明确了亚稳相γ″和γ′的形成时序及其与不连续析出的竞争关系。研究指出在395°C下时效0.5小时可获得最佳性能（调幅波长约12 nm，亚稳相含量高且不连续析出体积分数<10%），为优化合金热处理工艺提供了精准的实验依据。所建立的原位表征与分析方法对于开发新型高性能铜合金（如通过微合金化抑制不连续析出）具有重要的指导价值。