重型燃气轮机广泛用于能源、国防等领域,其研制水平关系着国家的经济发展及国防安全。重燃叶片作为重型燃气轮机的核心热端部件,主要采用定向凝固工艺进行制备。但是,由于重燃叶片尺寸较大、结构复杂,往往存在曲面、空心结构,在定向凝固过程中容易产生多种缺陷,如:杂晶、雀斑等。采用数值模拟技术可以预测定向凝固过程中重燃叶片的宏观温度场、介观晶粒组织以及微观枝晶组织,进而对工艺参数进行优化,为实际工业生产提供理论及技术支持。本文考虑了宏观、介观及微观单元之间的物理信息传递特点,采用插值算法建立了重燃叶片定向凝固过程多尺度耦合计算模型。采用能量均匀分布法及大步长射线求交点法对辐射换热进行了准确计算;采用分层及并行计算的方法,实现了300 mm以上重燃叶片全叶片的晶粒组织模拟;考虑了溶质扩散、界面曲率及各向异性的影响建立了三维枝晶生长模型。根据所建立的模型结合实验系统地研究了镍基高温合金枝晶组织的演变行为。采用高温激光共聚焦显微镜原位观察了镍基高温合金枝晶组织的形核及长大过程。根据实验条件模拟了二维及三维单枝晶和多枝晶的长大过程及最终形貌,模拟和实验结果吻合良好。采用所建立的模型进一步分析了枝晶的竞争生长行为及定向生长过程。分别采用高速凝固(HRS)工艺及液态金属冷却(LMC)工艺对所建立的多尺度模型进行了实验验证。冷却曲线、晶粒组织以及微观枝晶组织形貌的实验结果均和模拟结果吻合良好。设计了两种不同形状的试件,对HRS及LMC工艺的选晶行为进行了详细研究。结果表明,HRS工艺在适当的抽拉速率范围内能够选出取向较好的单晶;而在LMC工艺条件下,必须要保证足够高温度梯度,否则选出的单晶取向较差。开展了定向及单晶重燃叶片多尺度数值模拟。研究了不同工艺参数对定向叶片晶粒组织及枝晶臂间距的影响。从抽拉速率、浇注和预热温度及模壳局部加厚等方面对定向叶片的凝固工艺进行优化,叶片的晶粒平行度得到明显改善。对复杂结构单晶叶片的温度场及晶粒组织进行了模拟,分析了缘板处容易产生杂晶的原因,提出了消除杂晶缺陷的建议。