用于材料参数校准的有限元分析以及SLM加工的晶格结构Cu-10Sn合金的锥形梯度优化

《Journal of Alloys and Compounds》：Finite element analysis for material parameter calibration and tapered gradient optimization of SLM-processed lattice-structured Cu-10Sn alloy

本研究探究了烧结温度（900℃和980℃）与冷却速率（10℃/min和45℃/min）对商业Fe-Cu-Sn预合金粉末（Cobalite CNF?）微观结构演变及力学性能的影响。通过SEM、TEM和电子衍射分析发现，快速冷却促进细小、高密度Cu析出，增强硬度（最高100 HRB）和屈服强度（610 MPa），而慢速冷却导致析出物粗化（Ostwald ripening），降低性能。980℃烧结结合快速冷却时，γ→α相变引发Cu富集相定向析出（Kurdjumov-Sachs取向关系），显著提升材料性能。尽管Y?O?氧化物发生粗化削弱了ODS效果，但其高硬度仍对耐磨性有益。研究结果为优化CNF基材料烧结工艺及设计金刚石工具基体提供了理论依据。

　　本研究聚焦于商业Fe–Cu–Sn基预合金粉末（Cobalite CNF?）在常规无压烧结过程中的微观结构演变和机械性能。通过探讨烧结温度和冷却速率对致密化、析出行为及机械响应的影响，该研究旨在揭示热处理参数如何调控材料的微观结构，从而优化其最终性能，特别是针对需要高耐磨性的应用，如金刚石工具基体。

Fe–Cu基系统因其在强度、延展性和耐磨性方面的可调组合而受到广泛关注，特别是在需要高硬度和耐磨性的金刚石工具基体中。铜作为关键合金元素，通过形成瞬态液相提高烧结性能，并在冷却过程中贡献析出强化。锡和钨的添加通常用于稳定铜富集相，防止脆性金属间化合物的形成，而氧化钇（Y?O?）则用于促进氧化物弥散强化（ODS）机制。Cobalite CNF?作为一种商业预合金粉末，主要由Fe、Cu和Sn组成，辅以少量的W和Y?O?。其设计旨在结合固溶强化、液相烧结和析出强化的优势。先前研究表明，CNF基材料在优化热处理条件下具有良好的烧结性和机械性能。然而，关于烧结参数，特别是冷却速率，与微观结构演变之间的详细关系仍需进一步研究，尤其是析出机制及其对机械性能的影响。

在Fe–Cu系统中，铜析出过程涉及一系列复杂的机制，包括与铁基体完全共格的Guinier–Preston（GP）区、不稳定的体心立方（BCC）析出相（如9R、3R或B2型结构），以及最终形成稳定的面心立方（FCC）ε-Cu相。这些转变对热处理历史，尤其是冷却速率，非常敏感。快速冷却促进了细小、共格析出相的形成，这些析出相作为位错运动的障碍，显著提高了材料的强度。相比之下，缓慢冷却则通过Ostwald熟化促使析出相粗化，从而降低析出强化的效果。

本研究中，烧结温度和冷却速率被设定为两个关键变量，以评估其对致密化、析出行为和机械性能的影响。研究采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子衍射技术，对烧结后的微观结构进行表征。研究结果表明，快速冷却在980?°C下促进了更细小的铜析出相的形成，从而显著提高了硬度和屈服强度。相反，缓慢冷却则导致析出相的粗化，降低了材料的机械性能。在980?°C下，γ→α相变诱导了相间析出，形成与相变前沿对齐的铜富集颗粒，而在900?°C下，析出主要来自过饱和的铁相。

Cobalite CNF粉末的微观结构在烧结过程中表现出显著的演变。其粉末颗粒尺寸在1.4至2.7微米之间，具有较高的比表面积和能量密度，容易形成孔隙结构，尺寸约为30微米。这些特性对材料的致密化和表面特性有重要影响，特别是在复合材料或金刚石工具基体等依赖于颗粒堆积密度和结合特性的应用中。此外，粉末中存在铜/锡相，其熔点相对较低（在870?°C时出现液相），有助于致密化和晶粒球化。同时，粉末的制备工艺使其具有铁富集（BCC）和铜富集（FCC）两个主要相。为避免脆性铁-锡或锡-铜金属间化合物的形成，通过添加钨防止锡扩散至铁相并固化铁相。此外，氧化钇的加入进一步增强了材料的强度。

在烧结过程中，材料的致密化主要发生在固态烧结阶段，而液相的出现（如在980?°C时）有助于微结构的演变和最终性能的提升。通过深入研究该商业粉末的烧结机制，发现致密化主要通过固态烧结完成，尽管液相的出现有助于材料的致密化。锡（Sn）增强了铜（Cu）的溶解度，同时降低了其熔点，从而形成稳定的液相，促进质量传输和微结构演变。然而，由于高密度在液相形成前已达到，因此液相对CNF致密化贡献有限。此外，石墨的添加促使珠光体的形成，从而改善了机械性能。同时，Fe-P的添加通过Fe?P析出和磷在铁素体中的固溶强化，进一步增强了材料的强度，但其α稳定化作用导致在与石墨结合时机械性能下降。

在所有研究的烧结条件下，材料均实现了充分致密化，其致密化程度通过阿基米德测量法在显微图像中得到验证。在烧结温度为980?°C时，由于铜-锡相的部分熔化，微结构的粗化现象尤为明显。此时，铁的奥氏体化（约930?°C）显著提高了铜在铁基体中的溶解度，如Fe–Cu相图所示。在980?°C下，溶液-扩散-析出机制被激活，结合铁的奥氏体化，促进了铜在铁基体中的溶解，从而影响了微结构的演变。这种现象导致了微结构粗化，通常在固态烧结中受到有限溶解度的控制。类似的行为也出现在Fe–Co–Cu合金的液相烧结中，其中铜-锡的局部熔化促进了扩散和晶粒粗化。

通过透射电子显微镜（TEM）对烧结后样品的析出相进行详细分析，发现快速冷却条件下析出相的尺寸分布更细小且密集，而缓慢冷却则导致析出相的粗化和尺寸分布更广。析出相的形状呈现出等轴结构，如矩形或球形，其中矩形析出相通常较大，而球形析出相较小。值得注意的是，在快速冷却条件下，最小的析出相在显微图像中难以分辨，因此在定量分析中未被纳入，导致报告的平均尺寸略高于实际值。析出相的形成机制涉及一系列热力学和动力学因素，包括相变温度、冷却速率和溶质过饱和度。

机械性能的测试结果表明，烧结温度和冷却速率对材料的硬度、抗拉强度和屈服强度有显著影响。在所有烧结条件下，材料均表现出良好的致密化，而烧结温度的升高和冷却速率的加快显著提升了机械性能。具体而言，980?°C快速冷却的样品显示出最高的抗拉强度（720 MPa）和屈服强度（610 MPa），以及较高的硬度（100 HRB），这证实了热处理在调控微观结构和优化最终性能中的关键作用。尽管这些性能略低于热压钴粉的水平，但其在金刚石工具基体中的应用表现优异，这得益于Fe和Cu相的协同作用。

此外，研究还探讨了多种强化机制，包括固溶强化、相界面强化和热应力引起的位错强化。固溶强化主要发生在铁富集相中，铜和钨溶解于铁基体中，引起晶格畸变，阻碍位错运动，从而提高强度。相界面强化源于CNF的双相微结构，铁富集和铜富集区域的界面作为位错运动的障碍，尤其在固态烧结过程中，有限的铁-铜互溶性有助于维持清晰的相界面。同时，热应力引起的位错强化源于铁富集和铜富集相之间的热膨胀系数差异，冷却过程中产生的差异收缩诱导内部应力，形成位错并增加材料的屈服强度。快速冷却条件（如45?°C/min）通过限制恢复和再结晶，有助于维持较高的位错密度，从而增强材料的强度。

研究还指出，虽然氧化钇的添加旨在通过氧化物弥散强化（ODS）机制提高材料的强度，但烧结过程中观察到氧化钇颗粒的粗化和偏析，这在一定程度上限制了其强化效果。然而，这些氧化物的硬度仍有助于提升材料的耐磨性。此外，相间析出现象在980?°C下尤为明显，其形成与γ→α相变密切相关，表现为与相变前沿对齐的析出颗粒行。这种现象在900?°C下未被观察到，此时析出主要来自过饱和的铁相。

综上所述，该研究揭示了烧结温度和冷却速率对Cobalite CNF?粉末微观结构和机械性能的显著影响。快速冷却在高温下促进了更细小且均匀的析出相形成，从而显著提升了材料的强度和硬度，而缓慢冷却则导致析出相粗化，降低其强化效果。这些发现为优化CNF基材料的烧结条件，以实现更高的性能，特别是在需要高耐磨性的应用中，提供了重要的理论和实验依据。