随着信息产业的快速发展，电子元件及设备制造对基础材料的性能要求日益苛刻，高性能铜合金在引线框架、电触点和连接器等组件中的应用需求显著增加。Cu-Ni-Si系合金作为典型的沉淀强化型合金，因其兼具高强度和优异的导电性能，在电子元器件领域得到了广泛应用^{［ ［1］ 武安琪，王松伟，陈帅峰，等. 引线框架用铜镍硅合金研究现状及发展趋势［J］. 铜业工程，2021（4）：14-20.
1 ］}。然而，传统Cu-Ni-Si系合金制备工艺复杂，通常包括“半连续铸锭–均匀化热处理–热轧–铣面–固溶–冷轧–时效”等至少七个步骤，各步骤均需精准控制工艺参数，后续还需进行加工成型，这不仅增加了生产成本，还制约了生产效率的提升^{［ ［2］ 李明亮，林兆擎，陈中玉，等. Cu-Ni-Si合金连续挤压短流程制造工艺［J］. 锻压技术，2023，48（6）：91-95.
2 ］}。

真空压铸作为一种先进的铸造技术，在真空与压力条件下完成金属熔体的凝固，可显著提升铸件的凝固速率，实现合金从熔体到零部件的一体化成型^{［ ［3］ JIA Z H，ZHOU G W，ZHOU H Y，et al. Effects of Cu content and heat treatment process on microstructures and mechanical properties of Al-Si-Mg-Mn-xCu cast aluminum alloys［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2024，34（3）：737-754.
3 ］}，制备的铸件密度高且缺陷少。尽管该技术在低熔点合金领域应用广泛，但在高熔点铜合金领域的研究仍处于起步阶段。Cu-Ni-Si系合金因其在高性能材料领域的独特价值，成为研究的重点。其性能提升主要源于时效过程中溶质原子Ni，Si从过饱和固溶体中析出，形成细小弥散的Ni/Si相，实现沉淀强化^{［ ［4］ 单运启，张彦敏，张朝民，等. 形变热处理对Cu-Ni-Si合金组织性能的影响［J］. 材料热处理学报，2024，45（1）：95-102.
［5］ 刘军，曹祎程，米绪军，等. 高性能Cu-Ni-Si系合金研究现状及发展趋势［J］. 铜业工程，2024（3）：152-162.
［6］ LEI Q，XIAO Z，HU W P，et al. Phase transformation behaviors and properties of a high strength Cu-Ni-Si alloy［J］. Materials Science and Engineering：A，2017，697：37-47.
［7］ 贾磊，谢辉，王晓，等. 高强高导Cu-Ni-Si合金的热处理工艺研究［J］. 铸造技术，2011，32（11）：1553-1556.
［8］ ZHU X T，CHEN H Q，ZHANG Z H，et al. Microstructure evolution and composite strengthening mechanism during solid solution and aging treatment for Cu-Ni-Co-Si sheet［J］. Materials Today Communications，2024，40：109707.
4-8 ］}。热处理可调控析出相的形貌、数量和分布，进而优化合金性能^{［ ［4］ 单运启，张彦敏，张朝民，等. 形变热处理对Cu-Ni-Si合金组织性能的影响［J］. 材料热处理学报，2024，45（1）：95-102.
4 ］}。贾磊等^{［ ［7］ 贾磊，谢辉，王晓，等. 高强高导Cu-Ni-Si合金的热处理工艺研究［J］. 铸造技术，2011，32（11）：1553-1556.
7 ］}研究了不同的热处理工艺参数对Cu-Ni-Si合金导电率和硬度的影响，发现经950 ℃×2 h固溶处理+550 ℃×8 h时效处理后，合金硬度可达到242.3HV。Lei等^{［ ［6］ LEI Q，XIAO Z，HU W P，et al. Phase transformation behaviors and properties of a high strength Cu-Ni-Si alloy［J］. Materials Science and Engineering：A，2017，697：37-47.
6 ］}探究了在450~750 ℃时效过程中Cu-Ni-Si合金的析出行为，并分析了合金在不同温度和时长下的相变情况。Zhu等^{［ ［8］ ZHU X T，CHEN H Q，ZHANG Z H，et al. Microstructure evolution and composite strengthening mechanism during solid solution and aging treatment for Cu-Ni-Co-Si sheet［J］. Materials Today Communications，2024，40：109707.
8 ］}通过研究Cu-Ni-Si-Co合金在不同固溶时效温度下的组织演变和性能参数，确定经固溶900 ℃，500 ℃时效4 h后，合金中形成了大量Co₂Si和（Ni，Co）₂Si稳定相，其中（Ni，Co）₂Si相是合金的主要强化相，显著提升了合金的综合性能。因此，结合真空压铸技术和热处理工艺，有望制备出综合性能优异的Cu-Ni-Si系合金。近期，Zheng等^{［ ［9］ ZHENG J M，PAN S，LIANG W，et al. Microstructure and properties of Cu-Ni-Si-Cr alloy fabricated by vacuum-assisted die casting via direct aging［J］. Materials Science and Engineering：A，2024，914：147120.
9 ］}利用真空压铸技术结合热处理工艺制备了Cu-Ni-Si系合金，结果表明该工艺相对于传统的铸造结合热处理工艺可显著缩短制备流程，同时可获得兼具优异力学与导电性能的铜合金。

此外，微量元素的添加也被证明是进一步优化Cu-Ni-Si合金性能的重要手段。肖翔鹏等^{［ ［10］ XIAO X P，YI Z Y，CHEN T T，et al. Suppressing spinodal decomposition by adding Co into Cu-Ni-Si alloy［J］. Journal of Alloys and Compounds，2016，660：178-183.
10 ］}发现，在Cu-2Ni-0.5Si合金中添加质量分数为1.2% Co，形成了（Ni，Co）₂Si相，缩小了合金内的第二相间距，这有利于位错增殖，抑制Spinodal分解，改善合金力学性能和导电性能。Wang等^{［ ［11］ WANG W，KANG H J，CHEN Z N，et al. Effects of Cr and Zr additions on microstructure and properties of Cu-Ni-Si alloys［J］. Materials Science and Engineering：A，2016，673：378-390.
11 ］}发现，通过添加少量Zr元素，降低合金层错能，促进变形孪晶的产生，有助于提高合金加工硬化能力。Krishna等^{［ ［12］ CHENNA KRISHNA S，SRINATH J，JHA A K，et al. Microstructure and properties of a high-strength Cu-Ni-Si-Co-Zr alloy［J］. Journal of Materials Engineering and Performance，2013，22（7）：2115-2120.
12 ］}在Cu-Ni-Si合金中同时添加Co，Zr元素，获得了硬度为215HV，强度为645 MPa的Cu-Ni-Si-Co-Zr合金。将真空压铸与热处理相结合，并进一步与微合金化结合，有望制备出综合性能更加优异的Cu-Ni-Si系合金。

因此，本文聚焦Cu-Ni-Si系合金，针对其熔点高、流动性差的问题，对Cu-Ni-Si-Co合金成分进行优化，引入Zr以改善流动性，通过真空压铸技术实现合金的短流程制备，并对比了固溶+时效（SA）与直接时效（DA）两种热处理工艺对压铸合金组织、性能的影响。本研究成果可为不同性能需求的压铸铜合金的制备及工艺选择提供理论依据和数据支撑。

本研究中，采用真空压铸技术制备Cu-Ni-Si-Co-Zr合金，其实验流程如图1所示。压铸过程中，为了优化充型效果，减少热应力等缺陷，浇注前先将初始模具和模腔预热到260 ℃。实验中，浇注温度为1250 ℃，强化铸造压力为220 MPa，缓慢注射速度为0.3 m/s，快速注射速度为1.3 m/s，真空度为60 Pa，选用的条状铸件尺寸为200 mm×10 mm×3 mm，合金化学成分采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Thermo Scientific ICAP 7200，英国）测试分析，结果见表1。随后，分别对合金进行了两种热处理工艺：固溶+时效处理（SA）和直接时效处理（DA）。在SA处理过程中，合金试样在箱式炉内分别进行800，850，900，950 ℃保温1.5 h的固溶处理，使用氧化镁粉保护样品。基于现有研究^{［ ［13］ 常君，王明飞，接金川，等. Ni/Co质量比对Cu-Ni-Co-Si合金组织和性能的影响［J］. 中国有色金属学报，2023，33（10）：3215-3228.
［14］ 赵转. Cu-Ni-Si-Co合金的时效特性和热变形行为研究［D］. 洛阳：河南科技大学，2020.
［15］ 彭丽军，马吉苗，刘兴宇，等. 不同处理工艺对Cu-Ni-Co-Si合金组织与性能的影响［J］. 稀有金属材料与工程，2019，48（6）：1969-1974.
［16］ XIAO X P，XU H，CHEN J S，et al. Coarsening behavior of （Ni，Co）2Si particles in Cu-Ni-Co-Si alloy during aging treatment［J］. Rare Metals，2019，38（11）：1062-1069.
［17］ WEI H，CHEN Y L，ZHAO Y N，et al. Correlation mechanism of grain orientation/microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si-Co alloy［J］. Materials Science and Engineering：A，2021，814：141239.
［18］ LIU F，LI J，PENG L J，et al. Simultaneously enhanced hardness and electrical conductivity in a Cu-Ni-Si alloy by addition of cobalt［J］. Journal of Alloys and Compounds，2021，862：158667.
13-18 ］}发现，500 ℃的时效温度有利于第二相的析出，能够实现较好的第二相强化效果。因此，在进行SA和DA处理时，选择在有氩气保护条件的真空管式炉中分别对固溶态和真空压铸态合金进行500 ℃时效处理。

样品经不同规格的砂纸（400，800，1200，1500，2000，3000和5000^#）逐级打磨，并用金刚石抛光剂（2.5，1 µm）抛光后，用腐蚀液（5 g FeCl₃+20 mL HCl+100 mL H₂O）进行化学腐蚀。采用光学显微镜（OM，OLYMPUS BX53M，日本）和扫描电子显微镜（SEM，ZEISS Carl 50，德国）对显微组织进行表征，并用能谱仪（EDS）对相组成进行分析，然后通过X射线衍射（XRD，MiniFlex600，日本）检测样品的相组成，扫描范围为20°~100°，扫描速率为5（°）/min。使用Image-Pro Plus 6.0软件，基于平均等效圆面积D公式［见式（1）］测量标定样品的平均晶粒尺寸。

式中，m为显微镜观察到的视场数，n为测量到的晶粒数，A_i为晶粒面积。每个样品选取5个区域，每个区域至少取100个晶粒。

采用维氏硬度计（VHT，TouchVicker 10Z，中国）进行硬度测试，载荷为1000 g，保持时间为15 s，取7次平均值作为最终硬度值；采用四探针（Keithley 2636A，Keithley 2182，美国）检测合金的电阻率，并将其转化为电导率。拉伸试验在电子万能试验机（EUTM，WANCE 104B，中国）上进行，室温拉伸速率为5 mm/min。

真空压铸Cu-Ni-Si-Co-Zr合金的SEM图像如图2所示，可以观察到合金晶粒主要为等轴晶，平均晶粒尺寸为（10.8±1.9） µm。合金中可以观察到少量球状的微米级第二相，主要分布在晶界处，平均尺寸小于2 µm。

图3为Cu-Ni-Si-Co-Zr合金经800，850，900和950 ℃固溶处理后的金相组织。随着固溶温度的升高，晶粒逐渐长大，形状趋于一致，晶界逐渐变宽。800 ℃固溶处理后，合金的晶粒尺寸变化较小。随着温度升至850 ℃，合金的晶粒尺寸变得均匀。进一步升温至900 ℃，晶粒整体呈现较为规则的等轴晶形貌，形状尺寸均匀。平均晶粒尺寸相较于压铸态组织略有增大，约为（12.5±1.2） µm。当温度继续升高至950 ℃，晶粒明显长大，合金晶粒的平均尺寸增至（21.5±3.5） µm，相较于900 ℃下，晶粒尺寸增加了72.0%，晶粒粗化。

图4是900 ℃×1.5 h固溶态合金经500 ℃×7 h时效处理后的微观组织。由图4（a）可观察到，时效处理后，SA合金的晶粒尺寸变化不明显，平均晶粒尺寸为（13.8±2.3） µm，并且可以观察到合金内部含有大量的第二相。在图4（b）中可以清晰地观察到合金中含有微米级和纳米级的第二相，如放大图图4（c）所示，可以明显观察到微米级第二相主要为块状和网状，尺寸介于1~5 µm之间，多沿晶界分布，晶内同时析出了大量的纳米级第二相，主要呈针状，长度差异较大，平均尺寸小于2 µm。EDS测试结果显示（见表2），基体（A₁）中不含Co，Zr元素，网状析出相和块状析出相含有Ni，Co，Si和Zr元素，而针状析出相则含有Ni，Co和Si元素。结合EDS元素分布测试结果以及相关文献报道^{［ ［10］ XIAO X P，YI Z Y，CHEN T T，et al. Suppressing spinodal decomposition by adding Co into Cu-Ni-Si alloy［J］. Journal of Alloys and Compounds，2016，660：178-183.
10 ， ［15］ 彭丽军，马吉苗，刘兴宇，等. 不同处理工艺对Cu-Ni-Co-Si合金组织与性能的影响［J］. 稀有金属材料与工程，2019，48（6）：1969-1974.
［16］ XIAO X P，XU H，CHEN J S，et al. Coarsening behavior of （Ni，Co）2Si particles in Cu-Ni-Co-Si alloy during aging treatment［J］. Rare Metals，2019，38（11）：1062-1069.
［17］ WEI H，CHEN Y L，ZHAO Y N，et al. Correlation mechanism of grain orientation/microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si-Co alloy［J］. Materials Science and Engineering：A，2021，814：141239.
［18］ LIU F，LI J，PENG L J，et al. Simultaneously enhanced hardness and electrical conductivity in a Cu-Ni-Si alloy by addition of cobalt［J］. Journal of Alloys and Compounds，2021，862：158667.
［19］ LING H Y，TANG Y，ZHONG J，et al. Thermodynamic，diffusion and precipitation behaviors in Cu-Ni-Si-Co alloys：modeling and experimental validation［J］. Journal of Materials Research and Technology，2025，35：3257-3269.
15-19 ］}，可以判定针状析出相为（Ni，Co）₂Si相。

图5为经6，7和8 h的SA热处理后合金的XRD图谱。结果表明，合金基体呈现面心立方结构的单峰特征。与纯铜（Cu）的标准XRD图谱相比，合金的衍射峰位置向高角度偏移，这是由合金内的溶质原子引起的，主要为Ni原子，由于其原子晶格常数小于纯铜标准晶格常数（a=0.03615 nm）^{［ ［20］ WANG W，WANG J，LI S J，et al. Effects of Nb addition on the properties and microstructure of Cu-Ni-Si-Mg alloy［J］. Materials Characterization，2022，194：112451.
20 ］}，导致晶面间距变小，根据布拉格定律，会使得2θ发生偏移。由于合金中析出物含量较少，低于XRD分辨率极限，因此这些析出物的衍射峰未能被识别到。

图6为压铸合金经DA处理6 h后的微观组织图。可以观察到，经DA处理后，合金的晶粒和第二相尺寸相较于经SA处理后的更小，合金平均晶粒尺寸约为（11.9±1.9） µm，减少了13.8%。同时，合金中的第二相数量较少，局部放大观察可以发现第二相呈细小的网状和块状，主要沿晶界析出，尺寸小于1µm。对不同位置进行EDS分析（见表3），结果显示基体（B₁）中不含Zr元素。Zr元素与Ni，Co，Si元素结合，以网状和块状析出相的形式完全析出，且尺寸相较于SA处理的析出相更为细小。

图7（a）为Cu-Ni-Si-Co-Zr合金固溶处理后的硬度和导电率柱状图。可以看出：合金的硬度和导电率先随固溶温度升高而降低，当温度达到900 ℃时降至最低值；随着温度进一步升高至950 ℃，硬度和导电率缓慢回升。Cu-Ni-Si-Co-Zr合金在亚快速凝固的真空压铸成型过程中产生了高密度位错和细小的晶粒结构，合金硬度相对较高。固溶处理可以有效消除位错，同时，900 ℃的固溶处理可以促进合金中的元素达到较高的固溶度，使溶质元素更均匀地分布在铜基体中。因此，固溶处理在提高合金的固溶强化效果的同时，可降低合金的第二相强化作用，并且使合金由晶粒形态演化为尺寸分布更加均匀的等轴晶，这种晶粒形态有助于减少晶界数量，从而降低晶界强化作用。这些综合效果导致合金的强度达到最低。此时，均匀分布于Cu基体中的溶质元素会引起晶格畸变，导致电子散射增加并使导电率降低。当温度进一步升高至950 ℃时，合金硬度和导电率变化不大，晶粒明显长大。因此，综合考虑固溶处理对合金组织和性能的影响以及经济效益，选择900 ℃×1.5 h固溶参数，并进行后续的时效处理。

图7（b）为900 ℃×1.5 h固溶态合金经SA处理后的显微硬度和导电率曲线图。可以看出：合金硬度在时效初期快速上升，随后进入一个增长放缓的平台期，进入时效后期则随着时效时间的延长而缓慢下降；合金导电率在时效过程中持续上升。时效1 h后，合金的显微硬度达到（155.6±2.3）HV，这一提升主要归因于第二相的析出强化作用。第二相的析出导致固溶原子数量减少，降低了对电子的散射作用，从而提高了合金的导电率。当时效时间延长至7 h时，合金的显微硬度达到峰值（215.2±3.8）HV，相比压铸态（81.4±2.9）HV提升了164.4%。与此同时，合金的导电率达到（41.9±0.2）%IACS，相比压铸态（14.4±0.1）%IACS提升了191.0%。随着时效时间的进一步延长，合金出现了过时效现象，使得强化效果降低^{［ ［17］ WEI H，CHEN Y L，ZHAO Y N，et al. Correlation mechanism of grain orientation/microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si-Co alloy［J］. Materials Science and Engineering：A，2021，814：141239.
17 ］}，合金中元素的析出速率逐渐减缓，导致合金的显微硬度和导电率逐渐趋于稳定。

图7（c）展示了压铸态Cu-Ni-Si-Co-Zr合金经DA处理后的显微硬度和导电率变化。结果显示，合金的显微硬度在时效初期迅速上升，随后缓慢增长并趋于稳定。时效1 h后，合金硬度达到（207.2±3.2）HV，此时合金内部析出少量尺寸较小的网状和块状含Zr相和纳米级（Ni，Co）₂Si相。这些细小弥散分布的第二相的强化作用优于经SA处理的针状第二相，从而显著提升了强化效果。随着保温时间延长，时效6 h后，合金的显微硬度和导电率均达到峰值［（237.1±4.2）HV，（33.1±0.3）%IACS］，硬度较压铸态（81.4±2.9）HV提升了191.2%。

图7（d）对比了Cu-Ni-Si-Co-Zr合金在压铸态、SA处理和DA处理后的峰值时效抗拉强度。压铸态合金的抗拉强度为（319.2±10） MPa，经SA处理后提升至（552.3±16.2） MPa，而DA处理后的抗拉强度进一步提高至（632.4±20.2） MPa，较SA处理提升了14.5%。DA处理在合金基体中形成细小且弥散分布的第二相，显著阻碍了位错运动，从而大幅提升了合金的抗拉强度。尽管弥散分布的第二相可能对合金的塑性变形能力产生一定影响，但DA处理的主要优势在于其显著的强度提升，使合金在高强度需求的应用场景中更具竞争力。

真空压铸Cu-Ni-Si-Co-Zr合金通过亚快速凝固，形成了晶粒细小且尺寸均匀的组织结构。在真空压铸工艺中，高温熔体在压力作用下与较冷的模具壁持续接触，强化传热效果，实现亚快速凝固。合金经SA和DA两种工艺处理后，其组织和性能表现出明显的差异。

经SA处理后，合金经高温固溶处理，基体的过饱和度较高，对电子的散射作用增强，合金晶粒长大，晶界、位错和其他缺陷减少，为后续时效过程中第二相的析出和长大提供了充分的驱动力。后经时效处理，合金力学性能提升。这主要归因于过饱和固溶体中的合金元素从基体中析出，形成高密度的第二相，主要表现为晶粒尺寸较大的微米级含Zr相和（Ni，Co）₂Si相。

相比之下，DA处理后的合金表现出更为优异的力学性能。合金未经过高温固溶处理，压铸态合金晶粒细小，对其直接进行时效处理，合金硬度能够在短时间内快速上升，内部析出网状和块状含Zr相，尺寸相较SA处理更为细小，且合金内部存在纳米级析出相，这种细小且弥散分布的析出相有效抑制了晶粒长大，从而有助于提高合金的力学性能^{［ ［21］ GAO W J，XING S M，WANG Y. Effect of lanthanum addition on microstructure and hardness of brass alloys produced by rheological squeeze casting［J］. Journal of Rare Earths，2022，40（12）：1953-1962.
21 ］}，合金强化方式主要为第二相强化。尽管DA处理合金的平均晶粒尺寸与SA相近，细晶强化效果有限，但细小晶粒结构通过晶界钉扎作用延缓了析出相的粗化，进一步增强了合金的强化效果^{［ ［22］ 李冬梅，韩敬宇，董闯. 高硬导电Cu-Ni-Si系铜合金强化相成分设计［J］. 物理学报，2019，68（19）：201-214.
22 ］}。DA处理合金在短时间内迅速强化，展现出显著优于SA处理的力学性能。此外，相对于文献［ ［9］ ZHENG J M，PAN S，LIANG W，et al. Microstructure and properties of Cu-Ni-Si-Cr alloy fabricated by vacuum-assisted die casting via direct aging［J］. Materials Science and Engineering：A，2024，914：147120.
9 ］中制备的Cu-Ni-Si合金，DA处理后的合金导电性能更好，但强度相对较弱。分析认为：DA处理后合金中的微米级相尺寸较大，数量较少，这种微米级相的数量和尺寸差异是两种合金性能差异的原因之一。

综合来看，尽管SA处理在提升合金导电性能方面具有一定优势，但DA处理在力学性能方面表现更为突出。从经济效益和综合性能^{［ ［23］ 姜雁斌，黄承智，李周，等. 集成电路引线框架用铜合金研究现状［J］. 铜业工程，2024（3）：131-144.
23 ］}的角度考虑，真空压铸结合DA工艺更适合制备具有良好综合性能的Cu-Ni-Si系合金零部件。

（1）真空压铸Cu-Ni-Si-Co-Zr合金在压力的作用下实现亚快速凝固，优化了合金的组织结构，为后续热处理工艺提升合金性能奠定了基础。

（2）经SA热处理后，合金析出大量尺寸较大的网状和块状微米级含Zr相，合金的显微硬度为（215.2±3.8）HV，强度为 （552.3±16.2） MPa，导电率可达（41.9±0.2）%IACS。

（3）经DA处理6 h后，显微硬度达（237.1±4.2）HV，抗拉强度为（632.4±20.2） MPa，合金的力学性能得到显著提升。

（4）真空压铸结合热处理工艺可实现短流程制备加工Cu-Ni-Si系合金，根据生产需求设计不同的加工路径，能满足高性能合金零部件的生产需求。未来，通过优化工艺，可进一步提升合金的性能，拓展其应用范围并助力产业升级。