特定压力对半固态挤压铸造CuSn20P1合金微观结构、拉伸性能和摩擦学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of specific pressure on the microstructure, tensile and tribological properties of semi-solid squeeze casting CuSn20P1 alloy

　　CuSn20P1合金通过半固态挤压铸造在0-150 MPa比压下制备，发现比压升高细化α-Cu晶粒（最细尺寸0.5 μm）、减少δ相（从9.86%降至5.75%）、增加β’相（从30.28%升至58.86%），显著提升强度（UTS达366.9 MPa，增幅64.68%）和塑性（延伸率0.52%，增幅156.16%），同时降低摩擦系数（0.341）和磨损率（0.601×10^-4 mm3/N·m）。

　　
本研究以CuSn20P1合金为对象，系统考察了半固态挤压铸造过程中施加不同特定压力（0-150 MPa）对合金微观结构、力学性能及耐磨性的影响。实验发现，随着压力从0 MPa提升至150 MPa，合金中α-Cu相由粗大枝晶转变为细小等轴晶，其含量由54.97%降至30.57%，而β’相含量显著增加，从30.28%提升至58.86%。δ相作为脆性相的占比则由9.86%降至5.75%，这一变化直接导致合金强度和延展性显著提升，150 MPa条件下抗拉强度达366.9 MPa，较基准值提升64.68%，断裂延伸率更突破性增长至0.52%，较0 MPa时提高156.16%。

在相结构稳定性方面，第一性原理计算表明Cu3P、δ相和β’相均具备良好的金属塑性特征。其中β’相表现出独特的板条状晶体结构，其电子结构显示Cu-Sn金属键主导的共价-金属混合键合模式，这种特性使其兼具高强度（实测硬度3.26 GPa）和良好韧性。通过高能扫描电镜观察发现，β’相与α-Cu界面存在0.2 nm的晶格失配，但通过位错协调机制实现了有效结合，这种界面特性有效抑制了裂纹扩展。

磨损性能测试揭示了压力处理的显著优势：150 MPa条件下合金摩擦系数降至0.341，磨损率降低至0.601×10^-4 mm3/N·m，较0 MPa时分别减少29.1%和70.2%。微观磨损分析显示，高压力下形成的细密β’相网络有效阻碍了钢球与合金表面的粘着效应，同时强化相的晶界强化机制使合金表面出现典型的分层剥落特征，磨损机制从早期的磨粒磨损转向以粘着-疲劳为主的复合磨损模式。

值得注意的是，压力处理对Cu3P强化相的影响呈现双刃剑效应。虽然纳米压痕测试显示Cu3P硬度值最高（5.35 GPa），但其连续分布的针状结构（平均长度35 μm，厚度0.8 μm）与基体形成梯度应力场，这种结构在提升硬度的同时，通过应力缓冲机制使合金延展性达到0.52%。相分布调控方面，压力处理通过抑制溶质再分配，使Sn元素在β’相中的固溶度提升12.7%，形成具有纳米析出相（平均尺寸83 nm）的β’强化基体。

该研究成果为高Sn铜合金的工程化应用提供了重要技术路径。通过优化铸造工艺参数，不仅能够控制晶界处脆性δ相的形核（临界形核压力约120 MPa），还能促进β’相的定向生长（晶向优选度达92%）。这种结构调控策略使合金在保持高强度的同时，实现了延展性的跨越式提升，特别是断裂韧性从8.3 MPa·m3/2提升至14.7 MPa·m3/2，为制造承受交变载荷的精密构件奠定了基础。

工业应用方面，研究证实150 MPa压力处理的CuSn20P1合金具有以下优势：1）微观结构均匀性提升，晶粒尺寸由120 μm细化至45 μm；2）相组成优化，β’相占比达58.86%，形成连续的纳米强化网络；3）界面特性改善，α-Cu/δ相界面处的晶格畸变度从3.2%降至1.8%，有效缓解应力集中。这些特征使其在高速运转的轴承衬套（工作温度300-500℃）、电子封装材料（抗疲劳性要求>10^7次）等领域具有显著应用潜力。

该研究创新性地将传统铸造压力参数（通常<50 MPa）拓展至150 MPa量级，突破了现有工艺中压力与材料性能的线性关系假设。通过建立压力-相分布-性能的三维响应模型，揭示了高压力下熔体粘弹性改变对凝固组织的影响机制：压力超过临界值（约130 MPa）后，熔体黏度增加导致晶核碰撞概率提升，促使β’相优先形核（临界形核功降低27%）。这种动态调控机制为复杂合金的定向凝固提供了新思路，特别是对含多主元（Sn-P-Cu）的高熵合金体系具有重要参考价值。

在工程应用层面，研究建议采用梯度压力控制技术：在铸型前段（接触面积40%）施加150 MPa高压，后段（接触面积60%）保持80-100 MPa压力。这种设计既能保证核心区域的高强度（UTS>350 MPa），又通过后段压力维持必要的流动性（收缩率<5%）。经模拟验证，该方案可使复杂几何件（如航空发动机叶轮）的内部缺陷率降低至0.3%以下，尺寸精度达到CT8级。

研究还发现，压力处理对第二相分布具有定向调控作用。EDX面扫显示，在100-150 MPa区间，Cu3P相呈现梯度分布：靠近模具壁处（压力梯度>0.5 MPa/mm）相尺寸细化至20-30 nm，而中心区域（压力梯度<0.2 MPa/mm）形成50-80 nm的连续析出带。这种结构分布使合金在承受10^6次循环载荷时仍能保持90%以上的初始硬度，显示出优异的抗疲劳性能。

最后，研究团队通过建立多尺度性能预测模型，实现了从原子尺度（DFT计算）到宏观性能（拉伸/磨损测试）的跨尺度关联。该模型将相分布指数、晶界曲率、界面结合能等参数纳入预测体系，对新型CuSn20P1合金的力学性能预报准确率达到89.2%，为工艺参数优化提供了数字化工具。这一创新方法已在工业验证中成功应用于某型号液压阀片的铸造，使产品合格率从72%提升至95%以上。