镍基单晶高温合金因具有优异的高温综合性能，是制造先进航空发动机涡轮叶片等热端零部件的主要材料^[1,2]。目前单晶叶片被设计为具有复杂内部气冷通道的空心结构以提高其承温能力。但是，复杂结构的叶片仅依靠精密的铸造技术难以实现一次成型，一些部位需要配合适当的焊接技术进行连接^[3,4,5]。此外，可靠、高性能焊接技术还可以修复单晶叶片的铸造缺陷与服役损伤，提高零件的合格率和材料的利用率。

单晶高温合金由于添加大量的合金元素，导致其焊接性较差，采用熔化焊连接易形成裂纹^[6,7]。因此，目前对于单晶构件常采用钎焊连接或瞬态液相扩散焊(TLP)连接^[8,9]。TLP连接技术是在待连接材料表面放置低熔点中间层合金，施加微小压力并加热，在母材与中间层之间形成低熔点液相，通过溶质原子的扩散发生等温凝固，从而形成组织均匀的接头^[10]。TLP连接通常加热时间较长，易使母材产生过时效而导致性能降低。更重要的是，当被连接母材存在取向偏差时，TLP焊缝组织生长会遗传两侧母材的取向，在接头中心交汇处出现一条较为连续的界面，破坏单晶结构完整性，弱化接头性能^{[11,12,13,14,15]}。实际单晶构件的连接过程中，由于零件形状复杂性与装配时的随机性，被连接单晶构件不可避免地在取向上存在一定的不匹配性，且焊缝的间隙不易控制，因此TLP连接技术在单晶叶片连接的应用受到限制^[16,17,18]。钎焊连接是采用比母材熔点低的金属作为钎料，加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，液态钎料填充焊缝间隙并与母材相互作用，冷却凝固形成牢固的接头^[19]。钎焊焊缝是在降温过程中凝固形成，焊缝中存在多种脆性化合物相，相组成较为复杂，钎焊接头的性能通常比母材略低^{[20,21,22,23,24]}，通过焊后热处理，可提高钎焊接头的强度^[25,26]。钎焊连接技术工艺简单、形状适应性好，并且热循环时间短，对母材影响较低，适用于连接或修复具有复杂形状的单晶高温合金构件。

迄今为止，关于单晶高温合金钎焊的研究较多，多集中于研究钎焊工艺对接头组织与性能的影响^{[19,20,21,22,23]}，但是对钎焊母材取向差的研究较少。本工作采用一种以Ni为基体，B、Si作为降熔元素，添加Al、Ti、W、Co、Cr、Mo等合金元素强化焊缝基体的新型合金钎料，钎焊连接镍基单晶高温合金，被连接单晶母材[001]偏差角度为0°、45°与90° 的3种取向匹配组合试样，研究分析采用新型合金钎料钎焊连接单晶高温合金时，被连接母材取向偏差对微观组织的影响，并对接头进行室温与高温拉伸性能测试，分析在该工艺下接头性能对取向的敏感性。

本实验用母材为镍基单晶高温合金CMSX-4，其主要化学成分如表1所示。采用选晶法在定向凝固炉中制备具有[001]取向单晶板。按照母材合金标准热处理制度进行固溶处理后，采用电火花加工设备分别沿平行于[001]取向和偏离[001]取向一定角度的方向制备1、2号2种待焊试样。待焊试样尺寸为10 mm×10 mm×3 mm (微观组织观察)与22 mm×20 mm×15 mm (拉伸性能测试)。试样待焊表面经400号砂纸打磨，放入丙酮中超声清洗15 min，清洁样品待焊表面，利用储能点焊机控制焊缝间隙为100 μm，按照图1所示进行装配。其中，θ取0°、45°和90°，即钎焊连接试样[001]取向匹配为0°+0°、0°+45°与0°+90°。

实验用镍基钎料JSSNi60A采用超声气体雾化法制备，粉末钎料粒径＜74 μm。其主要化学成分见表1，其中B和Si为降熔元素。将粉末钎料与黏结剂充分混合，置于焊缝周围，使钎料熔化后在母材间隙中润湿、铺展、填充焊缝。将装配好的待焊试样放入真空钎焊炉中，以10 ℃/min的速率将试样加热至550 ℃，保温20 min，使钎料中的黏结剂挥发，再以10 ℃/min速率加热至1070 ℃，保温20 min，确保炉内母材与钎料各区域温度均匀，随后再以15 ℃/min的速率加热至钎焊连接温度1210 ℃，保温30 min，随炉冷却至室温出炉，钎焊连接过程中，炉内真空度不低于5.0×10^-2 Pa。对焊后试样进行时效热处理，时效处理制度为：1100 ℃、6 h、AC+850 ℃、16 h、AC。

焊后与时效处理后样品沿垂直于连接面切割，研磨抛光后利用44%CuSO₄+33%HCl+23%H₂O溶液(体积分数)对样品表面进行化学腐蚀。采用Axio Observer Z1型金相显微镜(OM)、配备电子背散射衍射仪(EBSD)的Quanta 450型扫描电子显微镜(SEM)、EPMA-1610电子探针微区分析仪(EPMA)对焊缝微观组织形貌与相成分进行分析。采用电火花设备机械加工，制备标准板状拉伸试样，如图2所示。在AG-I 500KN电子拉伸试验机上进行室温与高温(980 ℃)拉伸性能测试，每组钎焊接头制备3个拉伸试样进行测试，取平均值。

2.1.1 0°+0°取向匹配钎焊接头微观组织

图3为钎焊连接0°+0°取向匹配CMSX-4单晶母材的焊缝微观组织的SEM像。从图3a可以看出，采用JSSNi60A钎料在该焊接工艺下，钎料完全填满焊缝间隙，无明显缺陷和裂纹。接头组织分为3个明显不同的区域，如图3b~d所示为接头组织3个区域的局部放大图。其中，I区为扩散影响区，该区域的微观组织与CMSX-4单晶母材基本相同，未观察到有化合物析出；II区为界面连接区，即钎料与母材熔合区，观察发现界面连接区与单晶母材组织相似，均由γ基体和均匀析出γ′强化相构成，但γ与γ′相尺寸比母材细小，邻近焊缝处析出白色细小的颗粒状化合物相；III区为钎料合金区，是钎料合金在降温过程中凝固形成，由多种化合物相组成^[20,25,26]。

利用EPMA对接头组织中各区域进行成分分析，表2为扩散影响区和界面连接区成分分析结果。其中，扩散影响区中含有少量的降熔元素Si，未发现B元素。可见，钎料JSSNi60A在焊接过程中B元素未向母材发生显著的扩散，对母材影响较小。界面连接区中Co、Al、Ta含量略低于扩散影响区，Cr、W、Ti含量略高于扩散影响区。图4所示为钎料合金区中各析出相的背散射电子(BSE)像，其成分分析结果见表3。其中，亮白色块状或骨架状为M₃B₂型硼化物，有些骨架状硼化物存在一定的元素偏析，W元素含量较高时形成M₃B₂型硼化物，W含量较低时形成CrB^[20]。在硼化物相之间存在呈放射状的共晶组织，根据文献[20,23]并结合其成分分析可以确定该共晶相应为γ+γ′共晶，共晶相前沿处析出粗大的γ′。如图4b可见，焊缝钎料合金区中心处存在少量的斑纹状共晶与深色块状相，根据文献[22,27]报道，推断该共晶相为γ-Ni+Ni₃B+CrB三元共晶，深色块状相为(Ni, Nb, Co)₃Si型块状硅化物。

2.1.2 母材取向偏差对钎焊接头微观组织的影响

图5为钎焊连接0°+0°、0°+45°与0°+90°取向匹配CMSX-4单晶母材焊缝微观组织的SEM像。可以看出，3种取向偏差的单晶钎焊接头组织相似，由钎料合金区、界面连接区以及扩散影响区组成。焊缝组织与相成分分析表明，当被连接母材存在取向偏差时，相组成未发生改变。可见，采用JSSNi60A钎料在1210 ℃、30 min钎焊工艺下，单晶母材取向偏差对钎焊接头中的组织与相组成没有产生显著的影响。图6所示为3种取向偏差的单晶钎焊接头组织的EBSD分析。分析表明，焊缝中心两侧的组织外延生长，形成与相邻母材取向一致的焊缝组织。其中，0°+0°取向匹配接头的焊缝两侧组织取向一致，形成了单晶化的钎焊接头。

2.1.3 热处理后取向差对钎焊接头微观组织的影响

依据CMSX-4单晶高温合金的时效处理工艺，对3种取向偏差的单晶钎焊接头进行时效处理，分析取向偏差在热处理过程对接头组织的影响。图7所示为3种取向偏差的单晶钎焊接头热处理前后的焊缝微观组织。分析表明，热处理后焊缝中心处组织更加均匀致密，两侧弥散析出γ′强化相。

图7a、d分别为0°+0°取向匹配接头热处理前后的焊缝微观组织。可以看出，被连接母材不存在取向差或取向偏差较小时，热处理前后接头组织中均未出现连续的晶界。图7b、e和c、f分别为0°+45°与0°+90°取向匹配的热处理前后接头的焊缝微观组织。当母材取向存在较大偏差时，接头经过2次时效处理后，在焊缝中心处出现一条较为连续的晶界，并在晶界上断续分布着块状析出相。该块状析出相的主要成分(原子分数)为46.95%Ni，24.12%Si，11.81%Ti，6.31%Co，3.49%Cr，3.98%Ta，0.18%Al，0.6%W，0.26%Mo，不含B元素，应为镍硅化合物。图8所示为3种取向偏差钎焊接头热处理后的焊缝EBSD分析结果。热处理后，当母材取向一致时，接头组织中未观察到再结晶，仍为单晶化的钎焊接头。当两侧母材存在取向偏差时，可以明显观察到焊缝两侧组织具有不同取向，在中心交汇处形成一条较为连续的晶界。

根据上述接头显微组织形貌与相组成分析，可以明确采用JSSNi60A合金钎料在1210 ℃、30 min条件下，钎焊连接CMSX-4单晶高温合金取向偏差接头的形成机理。图9为存在取向偏差的钎焊接头的微观组织演变过程示意图。钎焊连接升温阶段，JSSNi60A在1210 ℃下完全熔化形成液相合金钎料，通过毛细流动填满焊缝间隙，如图9a所示。保温阶段，固/液界面前沿的各元素在浓度梯度作用下发生相互扩散，降熔元素B和Si开始向母材发生扩散，使邻近液相钎料的母材熔点下降，部分固相母材溶解于液相钎料合金中，导致邻近母材的液相钎料合金中降熔元素B、Si浓度降低，熔点升高。保温阶段发生等温凝固，γ-Ni固溶体依附于单晶母材外延生长，固/液界面由单晶母材向钎料合金中心逐渐推进，形成如图9b所示的与邻近母材取向一致的界面连接层。由于钎料合金中B元素含量较低并且添加焊缝强化的合金元素，扩散进母材的B元素含量非常低，B元素富集于残余液相钎料中，与Cr、Mo、W等元素形成M₃B₂型硼化物^[28,29,30]。

在随后的降温过程中，γ-Ni固溶体也在液相钎料合金中形核并向四周生长，脆性化合物被推挤到固/液界面前沿。随着温度的继续降低，残余液相凝固，在焊缝中心形成三元共晶相，γ-Ni固溶体、硼化物和硅化物继续长大。温度降至1000 ℃以下，钎焊接头完全凝固，形成如图9c所示的接头。

钎焊接头在高温与低温2次时效处理过程中，焊缝组织中元素发生均匀化扩散，焊缝组织更加致密，部分硼化物溶解。当母材不存在取向偏差时，在焊缝中未出现连续晶界，形成了单晶化的钎焊接头。当被连接母材取向存在偏差，接头中心两侧的焊缝组织具有与相邻母材一致的生长取向，不同取向组织生长交汇形成一条较为连续的晶界，如图9d所示。

图10为热处理前后3种取向偏差的单晶钎焊接头在室温条件下的抗拉强度。0°+0°、0°+45°与0°+90°取向匹配的未热处理接头，室温平均抗拉强度相近，分别为820、740与775 MPa，而经过时效热处理的3种接头抗拉强度具有较大的差异，0°+0°取向匹配的钎焊接头，时效处理后接头强度提高，可达到975 MPa，而0°+45°与0°+90°取向匹配的接头，时效处理后强度降低，均低于600 MPa。

图11为3种取向偏差的单晶钎焊接头，热处理前后的室温拉伸断口纵剖面组织的OM像。可以看出，接头断裂均发生在焊缝中心的钎料合金区。在室温条件下，未热处理的3种接头断口剖面组织如图11a~c所示。由于大块脆性析出相的存在，裂纹沿硬脆性的硼化物萌生并扩展，接头沿垂直于外加应力方向断裂。经热处理后的3种钎焊接头断口剖面组织如图11d~f所示。可以看出，取向一致的接头经过热处理后，由于在焊缝中心处不存在较为连续的晶界，断裂模式与未热处理的接头相似，裂纹在脆性析出相位置萌生、扩展，最终发生断裂。存在取向差的接头经热处理后，在焊缝中心处形成一条较为连续的晶界，由于晶界结合强度较低，导致接头沿连续晶界的位置发生断裂。

依据接头室温拉伸测试结果可知，采用JSSNi60A合金钎料钎焊连接取向偏差镍基单晶高温合金，母材取向偏差对未热处理钎焊接头的室温拉伸强度无较大的影响，但存在取向偏差的接头经过热处理后，由于在焊缝中心出现连续晶界，导致接头的室温强度降低。主要是由于钎焊连接工艺保温时间较短，接头强度取决于钎料合金区的强度，而该合金钎料中添加Al、Ti进行γ′强化，W、Co、Cr、Mo等合金元素强化焊缝基体，提高了钎料合金区的强度，使得未热处理的取向偏差接头的室温强度对母材取向匹配性的依赖程度较弱。而经过热处理后的取向偏差单晶钎焊接头，由于在焊缝中心处形成一条较为连续的晶界，结合强度较低，导致接头沿晶界发生断裂，室温强度降低。

镍基单晶叶片作为航空发动机热端部件，主要在高温条件下服役。因此对钎焊接头进行980 ℃高温拉伸性能测试。图12为热处理前后3种取向偏差的单晶钎焊接头在高温(980 ℃)条件下的抗拉强度。可以看出，热处理前，3种取向偏差接头的高温强度相近，0°+0°取向匹配的接头平均强度为191 MPa，存在较大偏差的0°+45°与0°+90°取向匹配2类接头的高温平均强度分别为198和160 MPa。而经热处理后，3种接头高温强度显著提高，当母材取向一致时，接头的高温强度可达到690 MPa。当母材存在较大取向差时，接头的平均高温强度接近于400 MPa。

图13为3种取向偏差的单晶钎焊接头热处理前后的高温拉伸断口纵剖面组织OM像。可以看出，3种接头在高温拉伸时，断裂同样发生在钎料合金区。如图13a~c所示，在高温条件下，未热处理的3种接头由于部分低熔点共晶相发生软化或重熔，形成熔融区，降低结合强度，导致裂纹在软化的共晶相处萌生并沿硬脆性的硼化物扩展，接头沿垂直于外加应力方向断裂，致使接头高温强度低于室温强度。经热处理后的3种钎焊接头的断口剖面组织如图13d~f所示。可以看出，取向一致的接头由于不存在晶界，裂纹在焊缝中未完全消除的脆性硼化物处萌生、扩展，最终发生断裂。而存在取向偏差的单晶钎焊接头，裂纹均沿中心连续晶界的位置萌生、扩展，发生断裂。

依据接头高温(980 ℃)拉伸测试结果可知，采用JSSNi60A合金钎料钎焊连接取向偏差镍基单晶高温合金，未热处理的3种取向差钎焊接头的高温强度相近，主要是由于热处理前钎料合金区中存在低熔点共晶相，在高温(980 ℃)条件下发生软化或重熔形成结合薄弱区。在外加应力作用下，裂纹从结合薄弱区产生并沿硬脆硼化物相扩展，最终发生断裂。因此，取向偏差对未热处理钎焊接头的高温强度影响较小。而热处理后的接头，高温强度相比于热处理前显著提高，主要由于经2次时效处理，低熔点共晶相发生溶解，焊缝组织更加致密均匀，钎料中的W、Co、Cr、Mo等合金元素均匀化扩散强化了焊缝基体，使接头高温强度提高。但对于热处理后的取向偏差单晶钎焊接头，焊缝组织致密化使接头强度提高的同时在接头中心处形成较为连续的晶界，晶界结合强度较低，成为接头结合强度的薄弱区。因此，在经过热处理后，存在取向偏差的接头，高温强度低于取向一致的接头，但0°+45°与0°+90°取向匹配接头的高温强度相近。

(1) 采用JSSNi60A合金钎料在1210 ℃、30 min条件下，对不同取向单晶母材能够实现有效连接，3种单晶钎焊接头中心钎料合金区组织与相组成均由γ-Ni、粗大的γ′、γ+γ′共晶、M₃B₂型硼化物、CrB、镍硅化合物以及γ-Ni+Ni₃B+CrB三元共晶相组成。因此，取向差对钎焊接头焊缝组织与相组成无显著影响。

(2) 3种单晶钎焊接头经热处理后，元素扩散均匀，脆性化合物相减少，焊缝组织更加致密。当焊缝两侧的母材存在取向差时，焊缝组织遗传相邻母材[001]取向外延生长，在焊缝中心处形成连续的晶界。

(3) 热处理前，0°+45°与0°+90°取向匹配接头的室温、高温强度与取向一致接头的相近。因此，母材取向差为45°与90°时，对未热处理钎焊接头的强度影响较低。

(4) 热处理后，相比于取向一致接头，0°+45°与0°+90°取向匹配的2种接头的室温与高温强度均降低。可见，母材取向差为45°与90°时，对热处理后钎焊接头强度影响较大。但取向偏差较大的0°+45°、0°+90°取向匹配接头的室温与高温强度分别相近。