本文研究由Zuoze Niu、Rulong Ma、Pei Wang、Zhenhua Hao（通讯作者）、Yongchun Shu和Jilin He共同完成，作者来自郑州大学材料科学与工程学院、郑州大学中原关键金属实验室和国家特种金属材料重点实验室以及河南工业大学材料科学与工程学院。该研究成果发表于期刊 Materials & Design，在线发表日期为2026年1月13日。

研究的学术背景

铍铜(Cu-Be)合金因其优异的机械性能、高导电性和高耐腐蚀性，在国防和民用市场有着广泛应用。它是一种典型的析出强化合金，在适当的热处理条件下会形成均匀弥散的析出相。然而，传统的熔铸法制备Cu-Be合金常伴随着各种铸造缺陷，如组织不均匀和择优取向，且后续塑性加工易引发不均匀开裂，导致合金强度不足。相比之下，粉末冶金技术具有许多天然优势，如可调控微观结构的均匀性和孔隙率。目前，Cu-Fe、Cu-Cr-Nb和Cu-Ni-Si等体系的铜基合金的粉末冶金加工已较为成熟，但对Cu-Be合金，特别是烧结引起的相偏析以及固态加工中实现一致微观结构等方面的系统性研究仍非常缺乏。

本研究旨在填补这一空白，通过粉末冶金方法成功制备了Cu-0.9 wt% Be-1.0 wt% Ni合金。研究聚焦于不同的烧结工艺（热压烧结和放电等离子烧结）对合金在后续固溶和时效处理中析出行为的影响。通过系统研究析出动力学、相变序列和强化机制之间的相互关系，旨在阐明动力学路径如何控制微观结构演变和最终力学性能。因此，本研究的目的是探索粉末冶金制备Cu-Be-Ni合金的可行性，优化其工艺参数，并深入理解其微观结构演变与性能之间的内在联系。

详细的研究工作流程

本研究的工作流程非常系统，主要包括粉末制备、烧结、后续热加工、热处理以及全面的微观结构表征和性能测试。

1. 粉末制备与烧结 首先，研究团队使用真空感应熔炼惰性气体雾化(Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization, VIGA)方法合成了Cu-0.9Be-1.0Ni预合金粉末。粉末成分通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)确认为98.14 wt% Cu, 0.904 wt% Be和0.937 wt% Ni。粉末被筛分至小于63微米。根据对放电等离子烧结(SPS)位移曲线的分析，研究选择了850°C作为优化的烧结温度，因为低于此温度烧结的样品无法进行后续变形加工。随后，粉末分别通过两种粉末冶金技术进行烧结： * 热压烧结：在850°C、30 MPa压力下保持30分钟，制备的合金简称为HPS合金。 * 放电等离子烧结：在850°C、30 MPa压力下保持30分钟，制备的合金简称为SPS合金。

2. 后续热加工与热处理 烧结后的坯锭经过一系列后处理工序，这些工序对获得最终性能至关重要： * 热轧：在900°C下进行60%的热轧变形。 * 固溶处理：在950°C下进行60分钟的固溶处理，然后水淬。此温度被确定为最佳固溶温度，因为在此温度下合金显微硬度最低（87.55 HV），电导率相对较低（23.56 %IACS），且未出现过热现象。 * 时效处理：固溶后的合金分别在325°C、350°C、375°C和400°C下进行时效处理，时效时间从30分钟到480分钟不等，随后水冷。这是研究析出行为的关键步骤。

3. 实验方法与表征手段 本研究采用了多种先进且常规的材料表征和性能测试方法，并未提及特别自创的独特设备或算法，但其综合运用非常系统和全面。 * 微观结构表征： * 扫描电子显微镜：用于观察粉末形貌（如图2(a)所示，粉末呈球形以增强流动性）、烧结样品的微观结构（图4）和拉伸断口形貌。 * 电子背散射衍射：用于分析固溶态合金的晶粒取向和晶粒尺寸分布（图5），结果表明两种合金均为等轴晶，无择优取向。HPS合金平均晶粒尺寸约为8.81 µm，而SPS合金约为11.35 µm。 * 电子探针显微分析仪：用于表征粉末和烧结样品中Cu、Be、Ni元素的分布情况（图3, 图4），结果显示粉末和烧结样品整体元素分布均匀，但在粉末晶界和烧结样品中存在富Ni和Be的第二相。 * 透射电子显微镜：这是分析纳米级析出相演变的核心工具。研究使用TEM观察了不同时效状态下析出相的形貌（如图8至图12），并通过选区电子衍射和高分辨透射电子显微镜确认了析出相的类型和晶体结构。 * 性能测试： * 显微硬度测试：使用维氏硬度计测量不同热处理状态下合金的硬度。 * 电导率测试：使用涡流电导率计测量合金的电导率。 * 拉伸测试：使用电子万能试验机在室温下对标准狗骨状拉伸试样进行测试，以获取合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性能（图7）。

研究的主要结果

本研究通过上述系统的工作流程，获得了丰富且相互印证的实验结果，揭示了粉末冶金制备Cu-0.9Be-1.0Ni合金的微观结构演变规律和性能特点。

1. 烧结密度与微观结构 采用阿基米德法测量，HPS合金的烧结相对密度为99.7 ± 0.2%，高于SPS合金的98.4 ± 0.3%。这归因于HPS更慢的升温和冷却速率，导致了更完全的扩散结合和更低的空位浓度。EPMA分析（图4）显示，两种烧结合金均呈现等轴晶组织，晶内和晶界存在富Ni和Be元素的第二相。但与SPS合金相比，HPS合金在等轴晶界上的析出物密度较低，析出物更多地集中在晶粒内部。固溶处理后，EBSD分析（图5）证实了HPS合金比SPS合金具有更细的晶粒结构。

2. 时效硬度与电导率演变 如图6所示，HPS和SPS合金的显微硬度和电导率随时效时间和温度的变化趋势相似，都呈现先增后减或先增后稳的规律。对于两种合金，350°C时效240分钟均达到了峰值强化状态。在此峰值时效条件下： * HPS合金的显微硬度为268.8 HV，电导率为28.03 %IACS。 * SPS合金的显微硬度为282.5 HV，电导率为28.19 %IACS。 值得注意的是，更高的时效温度会加速析出动力学，从而缩短达到峰值时效的时间。例如，在400°C下，HPS和SPS合金的峰值时效时间分别为120分钟和30分钟。

3. 力学性能 图7展示了两种合金在不同状态下的工程应力-应变曲线。峰值时效态（350°C-240分钟）合金的强度与显微硬度变化趋势一致。 * 对于HPS合金，屈服强度从固溶态的182.8 MPa大幅提升至679.48 MPa，极限抗拉强度从392.69 MPa提升至860.76 MPa。 * 对于SPS合金，屈服强度从154.11 MPa提升至641.57 MPa，极限抗拉强度从385.67 MPa提升至781.6 MPa。 特别重要的是，HPS合金的抗拉强度（860.76 MPa）超过了课题组先前制备的铸态Cu-0.9Be合金（806 MPa），而SPS合金则略低。此外，粉末冶金制备的HPS和SPS合金表现出比铸态合金更优异的塑性（更高的断裂应变）。通过真应力-应变曲线分析发现，HPS合金在均匀塑性变形阶段表现出比SPS合金更高的工作硬化指数，这表明其在变形过程中具有更强的抗变形能力和更快的硬化速率，这与其更细的晶粒结构有关。

4. 析出相演变序列 这是本研究最核心的发现之一。通过TEM、SAED和HRTEM对不同时效时间的样品进行细致观察（图8至图12），研究人员明确揭示了在350°C时效过程中，HPS和SPS合金的析出相演化序列完全相同： * 时效30分钟：基体中同时存在GP区、γ″相和γ′相。GP区是富含Be原子的单原子层盘状区，γ″相直径3-5 nm，厚度为2个原子层（a = b = 0.248 nm, c = 0.288 nm），γ′相直径与γ″相相近，但厚度更大（3-5个原子层，a和b向0.257 nm转变，c向0.272 nm转变）。 * 时效60和120分钟：GP区消失，基体中主要为γ″相和γ′相。 * 时效240分钟：γ″相消失并完全转变为γ′相，此时主要为弥散分布的γ′相。 * 时效360和480分钟：部分γ′相开始向γ相转变，γ相呈球形，晶格参数a = b = c = 0.28 nm。 总结来说，析出演化序列为：GP区 + γ″ + γ′ → γ″ + γ′ → γ′ → γ′ + γ。这一结果通过详细的实验图片和衍射花样得到了证实，构成了理解合金强化行为的微观基础。

5. 析出动力学 研究利用电导率数据，结合Avrami方程和Matthiessen定则，分析了析出动力学。拟合得到的Avrami指数n小于0.5，表明析出相的生长机制是受界面控制的，而非受扩散控制。图14所示的动态曲线表明，随着时效时间增加，析出的驱动力逐渐降低（因为固溶原子浓度下降）。对比发现，HPS合金由于晶粒更细，在时效初期析出动力学更快，但整体相变速率后续会慢于SPS合金。

6. 强化机制分析 研究表明，Cu-0.9Be-1.0Ni合金的强化与γ′相的形成密切相关。通过计算和分析，研究者认为该合金的峰值强化主要遵循Orowan强化机制，而非切过机制。根据Orowan强化公式（公式4），代入HPS和SPS合金在峰值时效状态下的析出相平均直径和间距等参数，计算得到的屈服强度增量δσ分别约为492.2 MPa和476 MPa。这一计算值与实验测得的屈服强度增量（HPS: 496.68 MPa, SPS: 487.46 MPa）高度吻合，从而有力证明了Orowan机制是该合金的主要强化机制。

研究的结论

本工作系统研究了通过热压烧结和放电等离子烧结两种粉末冶金技术制备的Cu-0.9Be-1.0Ni合金的微观结构和性能。研究确定了合金的最佳固溶温度为950°C，最佳峰值时效工艺为350°C下240分钟。在此工艺下，HPS和SPS合金分别表现出优异的综合性能，其中HPS合金的极限抗拉强度超越了传统的铸态基准合金。研究阐明了在350°C时效0~480分钟过程中，析出相遵循GP区 + γ″ + γ′ → γ″ + γ′ → γ′ → γ′ + γ的演化序列。析出驱动力随时效时间增加而降低。通过Orowan强化模型计算的理论强化贡献值与实验值高度一致，明确了该合金的主要强化机制。此外，HPS合金由于其更细的晶粒结构，在均匀塑性变形阶段表现出更高的工作硬化指数，赋予了其更优的综合力学性能。

研究的亮点与创新点

1. 研究对象的创新性：这是对Cu-Be-Ni合金进行系统粉末冶金研究的先驱性工作，填补了该合金体系在粉末冶金领域，特别是关于烧结诱导相偏析和微观结构一致性调控方面的研究空白。
2. 系统性的工艺-结构-性能关联研究：研究完整地追踪了从粉末制备、两种烧结工艺、热轧、固溶到时效的全过程，并系统地将最终性能（硬度、强度、电导率）与微观结构（晶粒尺寸、析出相类型、尺寸、分布）和析出动力学联系起来。
3. 明确的析出序列揭示：通过详尽的TEM/HRTEM分析，清晰、完整地揭示了在特定时效温度下，Cu-0.9Be-1.0Ni合金中析出相的完整演变序列，为理解其性能变化提供了关键的微观结构依据。
4. 强化机制的定量验证：不仅定性地讨论了析出强化，而且通过Orowan强化公式进行了定量计算，并将计算结果与实验测得的强度增量进行对比，为强化机制提供了强有力的数据支持，使结论更加可靠。
5. HPS与SPS工艺的对比价值：研究详细对比了两种主流粉末冶金烧结技术对同一合金最终组织和性能的影响，发现HPS工艺虽然SPS工艺能获得略高的烧结密度和更细的晶粒，并最终在抗拉强度和加工硬化能力上更具优势。这种对比对实际生产中选择工艺路线具有重要的指导意义。
6. 性能突破：成功通过粉末冶金法制备的HPS合金，其抗拉强度超过了传统的铸态Cu-0.9Be合金，同时保持了良好的塑性，证明了粉末冶金在制备高性能Cu-Be合金方面的潜力和优势。

其他有价值的发现

研究表明，HPS合金在过时效状态下（360分钟）强度的下降幅度大于SPS合金，这与HPS合金中γ′相的取向变化及γ相的更快析出速率有关。而SPS合金由于析出动力学相对较慢，在长时间时效后析出相粗化被抑制，因此强度下降相对较小。这进一步揭示了微观结构演化细节对性能稳定性的影响。此外，析出相周围的明暗条纹被证实是析出相周围的弹性剪切应变区，表明存在较大的晶格畸变，这对强化有显著贡献。