《Journal of Alloys and Compounds》：Regulating the strength-ductility balance in CuSnTi/Nb composites via rapid solidification and electro-thermal-mechanical coupled sintering
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摘要采用铜锡法制备的千米长Nb?Sn/Cu超导线是热核实验反应堆的关键材料。增加Sn含量可促进Nb?Sn的形成，但会加剧Sn偏析并降低CuSn合金的塑性。本研究采用真空雾化制备速凝Cu15.5Sn0.3Ti（wt.%）粉末，将其与Nb棒直接组装并通过电热力耦合（ETMC）固结
摘要
采用铜锡法制备的千米长Nb?Sn/Cu超导线是热核实验反应堆的关键材料。增加Sn含量可促进Nb?Sn的形成，但会加剧Sn偏析并降低CuSn合金的塑性。本研究采用真空雾化制备速凝Cu15.5Sn0.3Ti（wt.%）粉末，将其与Nb棒直接组装并通过电热力耦合（ETMC）固结成CuSnTi/Nb前驱坯锭，随后进行固溶处理（ST）。在750℃ ETMC及后续650℃ ST 72小时后，CuSnTi合金实现了良好的强塑性匹配，平均抗拉强度约为530 MPa，平均延伸率为53.6%。塑性的改善归因于δ-Cu??Sn??相的大量减少和重新分布以及由此带来的Sn分布均匀性提高，而强度的增加则源于细小再结晶α-Cu基体的晶粒细化强化、局部CuSn?Ti?粒子的第二相强化以及晶界钉扎效应。
引言
铜锡法制备的Nb?Sn/Cu超导线在高磁场（>10 T）下具有高载流能力和优异的力学性能，广泛应用于国际热核实验反应堆（ITER）[1]和重离子加速器[2]等重大科学装置。铜锡法的关键步骤包括CuSn/Nb复合坯锭的热挤压、多道次拉拔以及反应热处理（CuSn/Nb转化为Nb?Sn/Cu）[3]。目前，围绕CuSn合金的合金化改性[4]、[5]、[6]、变形工艺优化[7]、[8]以及相形成机制设计[9]已开展了大量研究。研究表明，随着CuSn合金中Sn含量的增加，Nb?Sn的体积分数逐渐增大，从而获得更优的临界电流密度[10]。然而，Sn在Cu中的溶解度有限，在518℃时最大溶解度为15.8 wt%，在室温下几乎为零[5]、[11]。传统铸造制备的高Sn含量CuSn合金存在严重的偏析现象[12]，导致塑性显著降低[13]，进而引起CuSn/Nb复合材料的拉拔断裂[14]、[15]。因此，CuSn合金中Sn含量与塑性之间的矛盾已成为限制Nb?Sn/Cu超导线性能提升的主要挑战[16]。与此同时，Nb?Sn/Cu超导电缆在高磁场运行时承受高洛伦兹力，要求电缆具有优异的力学强度[17]。因此，协同提高高Sn含量CuSn合金的强度和塑性对于制备高性能Nb?Sn/Cu超导线至关重要。
近年来，强度和塑性的权衡一直是CuSn合金设计的核心挑战。为解决Sn偏析引起的合金脆性问题，研究人员开发了一系列涵盖合金设计、工艺优化和微观组织调控的协同策略。Song等人通过定向凝固制备了Cu–15Sn–0.3Ti合金，该合金在铸态下的抗拉强度约为269 MPa，延伸率约为2.0%，而经均匀化处理后，抗拉强度提升至409 MPa，延伸率增至69%[18]。在此基础上，Song等人进一步通过向CuSn合金中掺杂1.0 wt.% Ga实现了强度和塑性的同步提升，使抗拉强度达到480.6 MPa，延伸率达到98.1%。这种改善归因于Ga掺杂抑制了脆性相的析出以及Ga诱导的变形机制从孪生主导转变为位错滑移主导，而保留的层错和局部孪晶界促进了持续的加工硬化[4]。此外，Gu等人通过3D打印制备CuSn合金，并通过P元素掺杂改善氧含量，获得了残余应力极低且晶粒等轴的CuSn合金，其延伸率为37%，硬度为133 HV[19]。Wang等人通过机械振动细化晶粒并抑制Sn偏析，显著提高了CuSn合金的强度和塑性[20]。综上，这些进展为突破CuSn合金的性能瓶颈提供了可行途径。
以往的研究通过Ga或Ti合金化、定向凝固、均匀化处理、粉末烧结、热挤压以及机械热电气耦合处理等方法改善了CuSn基合金的力学性能[4]、[5]、[6]、[12]、[21]、[22]。Zr–Sn–Nb基合金的研究表明，第二相粒子的类型、尺寸、结构和空间分布随合金化的变化强烈影响着微观组织稳定性和合金性能[23]、[24]。Cu–Nb、Ti–Sn–Nb和Ti–Nb体系的代表性研究进一步表明，异相界面、粉末加工相关的相组成以及亚稳相转变可用于调控力学行为[25]、[26]、[27]。更广泛地说，先进制造技术和多步热处理已应用于Ti基和Mg基合金，以调控加工相关的微观组织及其力学或功能性能[28]、[29]、[30]。物理信息模型也被用于建立亚稳β-Ti合金的成分和工艺描述符与强塑性响应之间的关系[31]。然而，以往的CuSn基研究主要集中在合金本身的成分、微观组织调控和力学行为上，对CuSnTi/Nb前驱坯锭的集成制备以用于后续铜锡法加工的关注较少。在本研究的设计中，高Sn含量的CuSnTi合金作为Sn源，而Nb棒提供后续热挤压、滚压、多道次拉拔和相形成热处理所需的连续Nb组分。从动力学和能量学角度来看，气体雾化限制了溶质偏聚和大量δ-Cu??Sn??相的形成，电热力耦合（ETMC）将CuSnTi粉末固结在Nb棒周围，随后固溶处理（ST）为扩散介导的相重新分布提供持续的热激活，从而为下游加工阶段建立更均匀且可变形的前驱坯锭微观组织。气体雾化的CuSnTi粉末直接填充在Nb棒周围并通过ETMC共同固结，从而将粉末固结与复合坯锭组装集成在一起。与基于在整体铜锡坯锭上加工孔的传统组装方式相比，这种直接粉末填充工艺减少了加工相关的材料损失并提高了材料利用率。经750℃（72小时）ETMC（ST）处理后，CuSnTi合金的平均抗拉强度为529.7 ± 7.5 MPa，平均延伸率为53.6 ± 3.3%。与定向凝固的铸态Cu–15Sn–0.3Ti合金相比，抗拉强度提高了约97%，而延伸率约为铸态值的27倍[18]。与定向凝固并经均匀化处理的合金相比，抗拉强度提高了29.5%，同时保留了77.7%的延伸率，实现了相当优异的强塑性积。
因此，本工作的创新之处在于阐明了该集成前驱坯锭制备工艺中两个连续且不同的机制：ETMC诱导的致密化和ST诱导的相调控。在ETMC过程中，施加的轴向载荷增加了粒子间的接触，而电流产生的焦耳热提供了粒子间扩散、残余孔洞和粉末边界减少、烧结颈部形成以及CuSnTi粉末压坯内结合所需的热激活。随后ST促进富Sn相的溶解和重新分布，并调控富Ti晶界相的分布。本研究系统地考察了ETMC温度和ST时间对坯锭致密化、微观组织演变和力学性能的影响，以阐明强塑性匹配改善的根源。因此，本研究聚焦于CuSnTi/Nb前驱坯锭在多道次拉拔和相形成热处理之前的制备和室温力学行为；其电气和超导性能超出了本加工阶段的范围。
章节片段
材料与方法
本研究使用的材料为Cu15.5Sn0.3Ti粉末和工业纯Nb。Cu15.5Sn0.3Ti合金粉末通过真空感应熔炼后惰性气体雾化制备，其形貌和粒径分布如图1a、b所示。粉末颗粒主要为球形，但也观察到卫星颗粒和轻微团聚现象。测得的粒径分布范围为1至106 μm，D??、D??和D??值分别为10、23、
实验结果
CuSnTi合金在ETMC下的微观组织演变如图3所示。在650℃制备温度下，Nb与CuSnTi合金之间观察到清晰的界面。CuSnTi合金中仍有少量粉末边界残留，严重的Sn偏析导致形成大量富Sn相，如图3a所示。定量图像分析表明，富Sn相的估计体积分数从650℃时的20.24%降低至700℃时的8.50%，以及
不同凝固工艺偏析特性的比较
不同凝固工艺制备的CuSnTi合金的元素分布比较如图10所示。在铸态合金中，粗大的富Sn组成相集中在枝晶间区域，而富Ti区域呈离散分布，如图10（a3、a4）所示。在定向凝固合金中，富Sn组成相沿凝固方向呈定向排列分布，同时观察到相对粗大的富Ti区域[图10
结论
本研究通过考察CuSn合金的制备方法以及制备温度和ST时间对CuSn合金微观组织和性能的影响，并阐明其内在机制，得出以下结论：
- (1)
对应最优力学性能的微观组织由主要为再结晶α-Cu基体、几乎消除的残余粉末边界、大幅减少并重新分布的δ-Cu??Sn??相组成，
基金资助
本研究获得国家自然科学基金[编号52401197]、陕西省重点研发计划[2026CY-YBXM-552]、西安市自然科学基金项目[2025JH-ZRKX-0030]、2025年陕西省博士后基金[2025BSHEDZZ030]、国家自然科学基金[基金号52371142]、陕西省重点科技创新团队[编号2025RS-CXTD-020]、陕西省杰出青年学者
作者贡献声明（CRediT）
刘健：调查研究。费若凡：调查研究。孙立星：调查研究、基金获取。闫跃通：调查研究。王梓涵：原稿撰写、调查研究。邹军涛：方法学、概念化、基金获取。张哲：审阅与编辑、可视化、方法学、调查研究、基金获取、概念化。石林：调查研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述工作的客观性。
王梓涵 | 张哲 | 邹军涛 | 费若凡 | 刘健 | 闫跃通 | 孙立星 | 石林
陕西电气材料与浸渗技术重点实验室，材料科学与工程学院，西安理工大学，西安，710048，中国
