摘要：文章采用KCo8钴基中间层对GH5188高温合金进行瞬间液相扩散连接，系统研究焊接温度与保温时间对接头微观组织及力学性能的影响。通过扫描电子显微镜、能谱仪、电子探针等表征手段分析接头组织演变，利用电子万能试验机评估其力学性能。结果表明，典型接头由母材、扩散区与等温凝固区组成，随着焊接温度升高或保温时间延长，扩散区析出相密度逐渐降低。在焊接温度1180℃、保温60min条件下，接头平均抗拉强度达1033MPa，达到母材强度的96.5%，且断裂发生于母材，满足工程应用需求。

　　关键词：GH5188合金；TLP；焊接工艺；微观组织

　　GH5188合金作为一种固溶强化型钴基高温合金，因其优异的高温强度、蠕变性能与抗热腐蚀性能，在航空发动机及燃气轮机热端部件中具有不可替代的地位。随着航空发动机向高推重比、高效率方向发展，关键部件结构日趋复杂，对材料的连接质量提出更高要求[1]。传统焊接方法如电子束焊、摩擦焊等在高温合金连接中存在热影响区宽、残余应力大、接头脆化等问题，限制其在精密构件中的应用。瞬间液相扩散焊作为一种新型的固相连接技术，通过降熔元素的扩散实现母材与中间层的冶金结合，能够获得成分均匀、性能优异的焊接接头，已成为高温合金连接领域的研究热点[2]。文章以航空发动机叶片用GH5188高温合金为研究对象，采用KCo8非晶中间层进行TLP连接，系统研究焊接温度与保温时间对接头微观组织演变规律及力学性能的影响机制，旨在揭示TLP连接过程中元素扩散、相变行为与接头性能之间的内在联系，为GH5188合金在航空发动机关键部件中的可靠连接提供理论依据和技术支撑。

　　1实验流程

　　1.1实验产品

　　实验所用GH5188高温合金为固溶强化型钴基合金，其化学成分如表1所示。

　　该合金通过添加20.0%~24.0%的Cr元素形成致密的Cr2O3氧化膜，显著提升抗高温氧化和热腐蚀能力；13.0%~16.0%的W元素作为主要固溶强化元素，有效提高合金的高温强度和蠕变抗力；同时添加0.03%~0.12%微量La元素可净化晶界，改善合金的高温塑性。KCo8非晶中间层以Co-Cr-Ni-W为基体体系，通过精确控制B元素含量（作为降熔元素）在1.5~2.5at%范围内，确保中间层在焊接过程中能够形成适量液相，同时避免过量硼化物脆性相的产生。中间层采用急冷甩带法制备，厚度控制在40μm（双层20μm），以保证焊接过程中液相的充分铺展与元素的均匀扩散。

　　1.2实验器件制备步骤

　　试样制备过程中，首先采用电火花线切割，将GH5188合金棒材加工成Φ12mm×45mm的圆柱形试样，确保待焊端面与轴线垂直度误差小于0.02mm。待焊端面依次采用220#、400#、600#金相砂纸进行打磨，消除切割痕迹并获得均匀的表面粗糙度。打磨后的试样在无水乙醇中进行三次超声清洗，每次5分钟，彻底去除表面油污和磨屑，随后用高纯氮气吹干并置于干燥器中备用。

　　焊接实验在JVIF211型高温真空钎焊炉中进行，该设备配备分子泵组，实现5×10-3Pa的高真空环境。焊接工艺曲线经过精心设计：首先以10℃/min的速率升温至300℃并保温60min，使中间层表面的有机粘合剂充分分解挥发[3]；随后以15℃/min升温至1025℃保温10min，确保炉内温度均匀分布；然后以8℃/min升至设定的焊接温度（1150℃、1180℃、1200℃)并保温相应时间（5min、30min、60min）；最后以6℃/min控制冷却至300℃后随炉冷却至室温。整个焊接过程在真空度优于1×10-2Pa的条件下进行，有效防止合金元素氧化对焊接质量的不利影响。

　　1.3表征仪器

　　采用飞纳Phenom ProX全自动台式扫描电镜进行接头微观形貌观察，该设备配备背散射电子探测器，可在低真空模式下直接观察未镀样品的微观结构，加速电压设置为15kV。能谱分析采用牛津仪器X-MaxN20mm2硅漂移探测器，分析时间不低于60s，确保元素定量分析的准确性。电子探针分析使用JEOLJXA-8530F场发射电子探针显微分析仪，在加速电压20kV、束流2×10-8A条件下进行元素面分布分析，空间分辨率达1μm。

　　力学性能测试使用美特斯工业系统（中国）有限公司生产的TSE255D电子万能试验机，加载速率设置为0.5mm/min，每组条件制备不少于5个有效试样，确保数据的统计可靠性[4]。断口分析采用日立SU5000场发射扫描电镜，在二次电子模式下观察断口形貌特征，加速电压为5kV[5]。

　　2结果与讨论

　　2.1接头的典型显微组织

　　1180℃保温60min条件下接头的典型微观组织结构，如图1所示，通过背散射电子像可清晰地区分接头的三个特征区域：GH5188母材区、等温凝固区和扩散影响区。等温凝固区宽度约为45μm，呈现出典型的钴基固溶体枝晶结构，枝晶间分布着细小的白色块状相。经EDS点分析确认，这些白色块状相为富含W、Cr的MC型碳化物，其形成与母材中C元素向焊缝区域的扩散密切相关。值得关注的是，在等温凝固区与扩散区的界面处观察到一层厚度约2~3μm的过渡层，该区域元素浓度梯度变化平缓，表明在此工艺参数下元素扩散已接近平衡状态。

　　扩散区内部分布着大量灰白色条块状与针状析出相，通过EPMA元素面分布分析发现，这些析出相富含Cr和B元素，且从焊缝中心向母材方向，析出相的尺寸和分布密度均呈现递减趋势。结合XRD物相分析结果，确认扩散区主要存在M3B2和M23B6两种类型的硼化物，其中M代表Co、Cr、W等金属元素。硼化物的形成与B元素在母材中的溶解度极限密切相关，当B浓度超过固溶度时，将优先与Cr等强硼化物形成元素结合析出。

　　2.2保温时间对接头组织与性能的影响

　　1180℃下不同保温时间接头的宏观形貌演变规律，如图2所示，保温5min时，焊缝边缘存在明显的未焊合区域，焊缝中心宽度不均匀，表明在此条件下液相尚未完全铺展。随着保温时间延长至30min，焊缝成型质量显著改善，未焊合区域基本消失。当保温时间达到60min时，焊缝呈现出均匀连续的宏观形貌，接头两侧过渡平滑。

　　从微观组织演变角度观察，如图3所示，保温5min黑色的钴基固溶体和白色的岛状共晶组织构成。对白色岛状相进行EDS分析显示其富含W、Cr和B元素，确定为M6C型碳硼化合物。非等温凝固组织的存在表明，在较短的保温时间内，降熔元素B未能充分扩散至母材，导致在冷却过程中焊缝中心发生共晶反应。当保温时间延长至30min时，非等温凝固区基本消失，等温凝固区占据焊缝主导地位，仅在晶界处观察到少量白色片状析出相。保温60min时，焊缝中心完全由均匀的钴基固溶体构成，无任何第二相析出，表明等温凝固过程已彻底完成。扩散区的组织演变同样引人关注，随着保温时间从5min延长至60min，扩散区内硼化物的分布密度显著降低，析出相形态也从连续网状向离散块状转变。这种变化归因于B元素的充分扩散降低浓度梯度，减少硼化物的形核驱动力。同时，延长保温时间使得已形成的硼化物有足够时间通过Ostwald熟化机制粗化，导致析出相平均尺寸增大但数量减少。

　　力学性能测试结果显示，接头的抗拉强度随保温时间延长呈现单调递增趋势，如图4所示。保温5min时，接头平均抗拉强度仅为809MPa，图4（a）中断口分析表明断裂起源于焊缝中心的脆性共晶组织，断口呈现典型的解理特征，可见明显的河流花样和解理台阶。保温30min时，强度提升至929MPa，图4（b）断口形貌显示出混合断裂特征，既有解理面又存在少量韧窝，表明材料在断裂过程中发生有限的塑性变形。保温60min时，强度达到最大值1033MPa，图4（c）断口布满深而均匀的韧窝，为典型的韧性断裂，且断裂位置位于母材而非焊缝，证明接头性能已优于母材的薄弱区域。

　　2.3焊接温度对接头组织与性能的影响

　　力学性能测试结果显示，接头强度随焊接温度变化呈现先增后降的趋势。1150℃时强度为941MPa，1180℃时达到峰值1033MPa，1200℃时回落至946MPa。这种非线性变化与接头的微观组织演变密切相关。1150℃时，焊缝中的碳化物和扩散区的高密度硼化物共同导致接头脆化；1180℃时，组织均匀性和元素分布达到最佳状态；1200℃时虽然组织更加均匀，但过高的温度导致母材晶粒粗化和固溶强化效应减弱，反而使性能下降。

　　断口分析进一步证实上述机理，如图5所示。1150℃断口呈现准解理特征，存在明显的解理面和少量浅韧窝；1180℃断口为典型的韧性断裂，韧窝深且均匀；1200℃断口虽然仍为韧性断裂，但韧窝尺寸明显增大且分布不均，反映出基体塑性下降的特征。这些断口形貌的差异直观地反映焊接温度对接头断裂行为的影响。

　　2.4 TLP焊接工艺对接头组织与性能的影响机理

　　综合以上实验结果，可以构建焊接工艺参数-微观组织-力学性能之间的内在联系模型。在低温短时条件下，降熔元素B扩散不充分导致焊缝中心形成脆性共晶组织，同时扩散区高密度的硼化物共同作用，使接头呈现脆性断裂特征。随着温度升高和时间延长，B元素充分扩散，焊缝中心转变为韧性钴基固溶体，扩散区硼化物密度降低，接头性能显著提升。然而，当温度超过最佳范围时，母材微观组织的恶化成为主导因素，导致性能回落。这一机理得到定量金相分析和力学测试结果的双重验证。通过ImageJ软件对扩散区硼化物面积分数的统计显示，最佳工艺参数（1180℃/60min）下硼化物面积分数为12.3%，而此时接头的强度和塑性匹配最佳。当硼化物面积分数低于10%或高于20%时，接头性能均出现明显下降，这表明控制扩散区析出相数量是优化接头性能的关键。

　　3结论

　　（1）采用KCo8中间层进行GH5188合金TLP连接，成功实现无缺陷的冶金结合。典型接头结构由钴基固溶体构成的等温凝固区、富含M3B2和M23B6硼化物的扩散区以及母材三部分组成。在焊接温度1150~1200℃、保温时间5~60min范围内，通过精确控制工艺参数可获得组织均匀、性能优异的焊接接头。

　　（2）保温时间对消除非等温凝固区具有决定性影响。随着保温时间从5min延长至60min，焊缝中心的共晶组织完全消失，等温凝固区宽度增加，扩散区硼化物分布密度从28%降至12%。相应地，接头断裂模式从解理断裂转变为韧性断裂，抗拉强度从809MPa提升至1033MPa，达到母材强度的96.5%。

　　（3）焊接温度显著影响元素扩散行为和析出相特征。温度从1150℃升至1200℃,B元素扩散距离从45μm增加至95μm，扩散区硼化物形态从连续网状演变为离散块状。最佳焊接温度为1180℃,此时接头组织均匀性和力学性能达到最优组合。

　　（4）通过系统研究焊接温度与保温时间的耦合作用，建立TLP连接工艺窗口。推荐的最佳工艺参数为焊接温度1180℃、保温时间60min，在此条件下接头的组织性能和断裂行为均能满足航空发动机关键部件的使用要求。本研究为GH5188高温合金的工程化应用提供重要的理论和实验依据。

参考文献

　　［1］赵楠，李多生，叶寅，等.激光选区熔化成形GH5188合金微观组织及性能［J］.航空学报，2023，44（19）：294-305.

　　［2］蒋世川，王小川，唐平梅，等.La含量对GH5188合金凝固过程及铸态组织的影响［J］.金属热处理，2024，49（2）：71-76.

　　［3］李晗，杨勇，田伟，等.GH5188合金箔材高温氧化行为及机理研究［J］.燃气涡轮试验与研究，2025，38（1）：23-34.

　　［4］戚慧琳，蒋世川，郭续龙.均匀化工艺对GH5188合金组织及力学性能的影响［J］.金属热处理，2023，48（2）：150-157.

　　［5］蒋世川，张健，裴丙红，等.GH5188合金凝固过程动态原位观察研究［J］.钢铁钒钛，2023，44（3）：131-137+164.