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高效制备高质磷青铜粉末及其力学性能研究基于电弧侵蚀法（AEW），成功获得直径范围0.08-0.12mm的QSn6–0.1、QSn7–0.2、QSn8–0.3三种磷青铜球形粉末。XRD和EBSD分析表明，所有粉末均以α-Cu和δ-Cu41Sn11相为主，微米级粉末因极快冷却速率（>10^6 K/s）抑制了Sn反向偏析，形成均匀细小的等轴晶。单粒压缩试验显示硬度随粒径减小显著提升（QSn8–0.3粉末硬度达320HV），大颗粒因层错能低易形成明显加工硬化峰，而小颗粒受限于晶界迁移抑制了位错堆积。本研究建立了粉末尺寸与凝固组织、力学性能的定量关系模型，为增材制造用高强高导铜合金粉末开发提供了新方法。
Baohang Ling|Chenhui Wang|Jintao Luo|Fengchen Chen|Bingge Zhao
上海大学先进核能材料国家重点实验室，中国上海200444。
摘要
新能源产业的快速发展对连接器提出了更高的要求。增材制造为制造复杂的连接器接触部件提供了一种有效的策略，其中磷青铜粉因其优异的机械强度和导电性而成为一种有前景的原料。为了满足这些要求，本研究采用电弧侵蚀线材（AEW）方法制备了高质量的磷青铜粉。成功制备了表面光滑、卫星颗粒含量低的球形QSn6–0.1、QSn7–0.2和QSn8–0.3粉末。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和单粉压缩试验系统地研究了它们的凝固结构和机械性能。尽管成分不同，所有粉末主要由α-Cu和δ-Cu41Sn11相组成。AEW过程中的超高冷却速率促进了均匀的凝固结构，没有明显的缺陷，并有效抑制了Sn的逆偏析。粉末的直径而非成分主导了其凝固行为：较小的粉末冷却速度更快，从而形成了更细的凝固结构和更小的次级树枝晶间距。单粉压缩试验表明，粉末硬度随直径减小而增加。应变硬化率的分析表明存在尺寸依赖的变形机制：较大粉末由于合金的堆垛故障能量较低而表现出明显的硬化峰，而在较小粉末中这种效应被抑制。本研究提出了一种制备磷青铜粉的新方法，其发现为调整其凝固和机械性能以适应增材制造应用提供了宝贵的见解。
引言
随着电动汽车高压快充技术的快速发展，连接器接触元件需要具备更高的导电性、耐磨性和结构复杂性。铜合金因其优异的电气和机械性能而被广泛用于此类应用[1]、[2]、[3]。其中，磷青铜因其高强度、导电性以及优异的耐磨性和耐腐蚀性而脱颖而出，特别适合用于高压连接器[4]、[5]、[6]。
然而，Sn在Cu中的平衡溶质分配系数约为0.3[7]，这使得Sn在Cu合金中容易发生偏析[8]。此外，Sn的低分配系数会导致铸锭中出现粗晶、缩孔和微裂纹等凝固缺陷，从而降低合金的机械性能并影响连接器部件的稳定性[9]。为了解决这些问题，增材制造（AM）被用于制造铜基合金部件[4]、[10]。与传统铸造相比，由于增材制造具有超高的冷却速率，可以显著抑制溶质偏析并细化微观结构，从而提高制造零件的机械性能。此外，随着现代高压系统中连接器接触元件的日益复杂，传统的冲压和焊接等成形工艺在制造这种复杂几何形状方面受到限制。增材制造通过逐层制造策略和高精度，为制造复杂的连接器接触提供了明显优势，使其成为新能源车辆高压连接器的一种有前景的方法。
增材制造零件的性能在很大程度上取决于原料粉末的质量[11]、[12]、[13]、[14]。通常，具有高球形度、窄粒度分布和低空心颗粒或卫星颗粒含量的粉末更有利于实现均匀的流动性和致密的堆积。然而，通过气体雾化等传统技术生产的铜合金粉末往往具有不规则的形态和较高的卫星颗粒比例[15]、[16]、[17]，这可能对最终连接器的性能产生不利影响。因此，生产高质量的磷青铜粉对于提高增材制造接触元件的可靠性和性能至关重要。
电弧侵蚀线材（EEW）已被广泛认为是生产高质量粉末的有效方法，尤其是纳米颗粒[18]、[19]、[20]。传统的EEW工艺通常需要极高的电流密度（数十kA量级）和高达kV的电压，以触发由磁流体力学不稳定性引起的爆炸[21]、[22]、[23]、[24]。然而，这样的极端电参数对电源系统、绝缘和操作安全提出了严格的要求。在相对较低的电压和电流条件下，仍然可以在线材和电极之间建立电弧，导致电弧引起的熔化和材料侵蚀，而不是电爆炸。熔化的金属以液滴的形式从线材表面逐渐去除，随后在惰性气氛中自由飞行时固化成粉末。这种电弧侵蚀线材的方法提供了一种独特且可控的粉末生产途径，无需采用EEW所需的极端电参数。
在本研究中，使用我们自行设计的电弧侵蚀线材（AEW）装置制备了QSn6–0.1、QSn7–0.2和QSn8–0.3组成的磷青铜粉。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）表征了粉末的形态和凝固结构。进一步利用单粉压缩试验和经典凝固理论探讨了成分和粉末直径对凝固机制和机械性能的影响。
章节摘录
粉末制备
AEW实验使用我们自行设计的粉末生产系统（图1(a)）进行。使用直径为0.4毫米的QSn6–0.1、QSn7–0.2和QSn8–0.3（重量百分比）磷青铜线材作为原料制备粉末。将线材安装在线材喂料装置上，并放置在不锈钢腔室内。在AEW过程之前，将腔室抽至约5.0×10?3 Pa的压力，然后用高纯度Ar（纯度：99.99%）重新填充。
粉末的形态、相组成和成分
图2显示了使用AEW方法制备的QSn6–0.1、QSn7–0.2和QSn8–0.3磷青铜粉末的形态和粒度分布。如图2(a)-(c)所示，尽管成分不同，大多数粉末都是球形的且表面光滑。同时，很少观察到卫星颗粒。粉末粒度分布（PSD）显示在图2(a1)-(c1)中，每种情况都呈现正态分布。QSn6–0.1、QSn7–0.2和QSn8–0.3的平均直径分别为
结论
本研究采用电弧侵蚀线材方法制备了高质量的磷青铜粉。系统地阐明了不同粉末直径下凝固结构和机械性能演变的基本机制。可以得出以下结论：
(1) 与传统的气体雾化相比，AEW技术制备的磷青铜粉具有更好的球形度、光滑的表面以及显著减少的卫星颗粒
作者贡献声明
Baohang Ling：撰写 – 原始草稿，研究，正式分析。Chenhui Wang：研究，正式分析。Jintao Luo：研究，正式分析。Fengchen Chen：研究，正式分析。Bingge Zhao：撰写 – 审稿与编辑，研究，正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了上海自然科学基金（项目编号：23ZR1424100）的支持。
