Cu-9Ni-6Sn合金的时效析出行为

《Materials Science and Engineering: A》：Aging precipitation behavior of a Cu–9Ni–6Sn alloy

　　

摘要

Cu-Ni-Sn合金是一种典型的时效硬化合金，在时效过程中会析出多种第二相，从而影响其整体性能。本文详细研究了高强Cu–9Ni–6Sn合金在300–700 °C温度范围内的析出行为和相变特征。结果表明，时效过程中形成了多种类型的析出相，包括旋节线分解结构、DO₂₂和L1₂有序相、晶内析出相和晶界析出相，以及非连续析出（DP）和非连续粗化析出相。时效温度显著影响不同析出相的晶体结构和形貌。亚稳特征（如旋节线调制和有序相）主要由溶质偏聚和有序化转变控制，在较低温度和时效早期阶段形成。相比之下，稳定相的形成主要由晶界扩散和位错辅助形核主导，在较高温度和较长时间时效条件下出现。

引言

Cu–Ni–Sn合金被广泛认为是兼具高强度和高弹性的材料，具有优异的综合性能，包括良好的耐磨性和耐腐蚀性、抗应力松弛性能以及稳定的电导率。这些特性使其在航空航天、海洋工程和电子设备等领域具有广泛的应用前景 [1], [2], [3], [4]。众所周知，这些合金的宏观性能在很大程度上取决于其微观结构特征。在各种加工工艺中，时效处理通过调控强化相的析出行为在决定合金性能方面起着重要作用 [5], [6], [7]。

Cu-Ni-Sn合金在时效过程中的析出转变非常复杂。先前的研究已鉴定出多种类型的析出相，包括旋节线分解产物、具有DO₂₂和L1₂结构的亚稳γ′相、非连续析出相以及平衡态δ相 [8]。上述第二相在结构、形貌特征和形成机制方面存在显著差异。一般而言，旋节线调制和有序相等亚稳特征倾向于在相对较低的温度和时效早期阶段形成，而非连续析出相和δ相等非连续相则主要在较高温度和较长时效时间下促进形成。这些析出相的演化和相互作用对合金整体性能的决定起着至关重要的作用 [9], [10], [11], [12]。因此，明确时效转变过程对于优化热处理策略和获得理想的综合性能至关重要。

Cu–Ni–Sn合金的析出行为对合金成分、加工方式和热处理条件非常敏感，导致析出相类型、转变序列和析出动力学存在显著变化 [13], [14], [15]。对于Cu–15Ni–8Sn合金，通过使用各种微观结构表征技术进行系统研究，其析出序列已被广泛调查 [8], [16], [17]。相比之下，关于Cu–9Ni–6Sn合金的先前研究通常聚焦于时效的个别方面，包括旋节线分解的初始阶段、峰值时效微观结构与性能，或在特定热处理条件下的析出行为，同时也有不少研究探讨了微合金化添加元素对析出行为的影响 [18], [19], [20]。在我们此前对Cu–9Ni–6Sn合金非连续析出的研究中 [21]，观察到在较高温度或更长时间时效后还出现了额外的微观结构变化，包括非连续粗化和晶内析出。然而，这些析出相的形成条件和演化关系尚未得到系统考察。此外，初步观察表明，Cu–9Ni–6Sn合金的析出行为与Cu–15Ni–8Sn合金的报道有所不同。特别是，DO₂₂和L1₂有序化的温度范围和序列，以及晶界析出相、非连续析出相、晶内析出相和非连续粗化产物随后的演化过程仍不清楚。

因此，本工作在300–700 °C的温度范围内系统地研究了Cu–9Ni–6Sn合金的析出行为，并根据微观结构特征的演化选择了时效时间，从短时间（30 s）到各温度下达到最终析出状态所需的最长时间。选择如此广泛的实验范围是为了覆盖从低温旋节线分解和亚稳有序化，经过中温的竞争析出反应，到高温和长时间时效下稳定析出相的形成与演化。通过结合OM、SEM、TEM、HRTEM、SAED、FFT/IFFT和成分分析，系统地建立了转变序列，并构建了时间–温度–转变图。

章节摘要

实验方法

采用高纯Cu、Ni和Sn原材料（纯度≥99.9 wt.%）通过真空感应熔炼和铸造制备了圆柱形铸锭（Φ60 mm × 250 mm）。铸锭在850 °C均匀化退火12 h以消除偏析。随后，在850 °C保温2 h后进行热挤压，制备直径为28 mm的棒材，面积缩减率为78.2%。挤压后的棒材再进行多道次冷拉拔，中间进行

物理性能

为了提供与析出相关的性能变化的补充信息，我们在先前工作中 [21] 获得的硬度和电导率数据展示于图1中。微观结构演化与这些性能之间的关系已在文献 [21] 中进行了详细讨论。因此，此处仅简要描述性能演化以支持后续对析出行为的分析，并简要总结如下作为基础

讨论

基于Cu-9Ni-6Sn合金在不同时效处理下的不同相析出行为，构建了一个定性的析出转变图，如图8所示。该图基于实验中观察到的不同析出相出现和演化的温度–时间点构建。连接曲线旨在指示大致的转变范围，因为精确的转变边界无法从

结论

系统研究了Cu–9Ni–6Sn合金在300–700 °C时效期间的相变和析出行为。主要结论总结如下：

• 1.
  Cu–9Ni–6Sn合金的析出行为强烈依赖于时效温度和时间。在300 °C，早期转变以旋节线分解和DO₂₂有序化为主，随时效时间延长出现晶界析出相。在350–500 °C，析出行为变得

CRediT作者贡献声明

Ren Xin（任鑫）：资源支持、项目管理。Wu Yu（吴宇）：项目管理。Peng Lijun（彭立军）：撰写–审阅与编辑、监督指导、方法论、获取资金、概念构思。Jiang Haowen（蒋浩文）：撰写–初稿、可视化、调查研究、形式化分析。Huang Guojie（黄国杰）：监督指导、资源支持。Luo Wei（罗伟）：验证、调查研究。Guo Hong（郭红）：监督指导、资源支持、项目管理

未引用参考文献

[22].

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：52271038和 U24A2029）以及工程院集团有限公司科技创新基金项目（编号：5232303）的资助。

蒋浩文|彭立军|吴宇|任鑫|郭红|罗伟|黄国杰

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