目前,过包晶凝固型Ti-48Al-2Nb-2Cr铸造合金是为数不多的实现商业化应用的TiAl合金。然而,由于Ti-48Al-2Nb-2Cr合金的服役温度只有650 ^oC,不能满足未来发动机低压涡轮叶片服役温度进一步提高到800 ^oC的需求,迫切需要开发新型耐高温铸造TiAl合金。合金化Nb元素的添加在提高抗氧化性、高温强度和片层稳定性方面具有良好的优势。然而,大量添加Nb元素,将导致凝固组织中粗大的枝晶形貌和严重的显微偏析,进而增加铸锭热裂的倾向而且影响合金断裂韧性。因此,为了达到控制TiAl合金铸锭及铸件的凝固组织之目的,本论文以添加不同Nb元素Ti-48Al-xNb（x=2,4,6,8）形成的铸造类合金为研究对象,讨论过冷度以及冷速对TiAl合金非平衡凝固条件下组织的影响规律,以及亚稳相的形成,显微偏析的形成规律。系统研究Nb元素含量改变对包晶铸造TiAl合金中凝固路径和凝固组织影响的规律,并对过包晶凝固的新型中Nb含量铸造TiAl合金的凝固特征,同时对合金的高温性能,特别是高温屈服强度进行了分析。本文的主要研究内容及取得得创新性结论如下:采用Themo-Calc软件对不同Nb含量的Ti-48Al-xNb（x=2,4,6,8）三元系统的变温截面图进行计算,得到了包晶反应平台温度以及各成分点C_β、C_α和C_P。对Ti-48Al-x Nb（x=2,4,6,8）合金进行近平衡凝固实验发现,随着Nb含量的增加,铸态下Ti-48Al-x Nb合金从过包晶凝固向亚包晶凝固的转变点为4at.%Nb。结合计算相图和凝固组织可知,Ti-48Al-2Nb合金其包晶反应完之后生成的包晶相含量和残余液相含量基本上为1:1,α相不明显分化成枝晶形态,而形成球状α枝晶,可以获得均匀性高,偏析少的凝固组织。采用电磁悬浮熔炼深过冷凝固技术,在所获得的过冷度范围内,Ti-48Al-（x=2,4,6,8）Nb合金均是以β相为初生相凝固。对于亚包晶Ti-48Al-8Nb合金,超过一定过冷度（211 K）,凝固路径发生了从亚包晶凝固向单一β相凝固的改变。不同Al含量下亚包晶凝固TiAl-（7,8）Nb合金,随着过冷度的增加,凝固路径的转变方式是类似的,只是发生转变的临界值不同。亚包晶合金中的Al含量高,单一β凝固的临界值要高一些。对于过包晶Ti-48Al-2Nb合金,大于一定的过冷度（93 K）,β枝晶会发生树枝状向胞状的转变。对Ti-48Al-（x=2,4,8）Nb三种合金,获得了过冷度的转变范围。随着Nb含量的增加,消除S-偏析变得越来越困难。对于Ti-48Al合金减小凝固偏析可以通过控制Nb含量进行。在大过冷度下,Ti-48Al-（x=2,4,8）Nb合金的凝固组织中发现其亚结构除了变形孪晶以外,同时发现存在少量的层错等缺陷。归因于亚结构的形成能够很好地吸收快速凝固过程中的相变应力。随着Nb含量增加,TiAl合金的超点阵堆垛层错能降低,合金中变形孪晶的数量逐渐增加。采用电磁悬浮和铜模急冷的方法,获得Ti-48Al-（x=2,4,6,8）Nb包晶合金不同冷速下的凝固组织。对于Ti-48Al-（x=4,6,8）Nb合金,随着冷速的增加,发生从亚包晶凝固向单一β凝固的转变。在急冷凝固过程中,Ti-48Al-2Nb合金中亚稳相α以初生相的形式出现,但是随着Nb含量的增加,Ti-48Al-（x=4,6,8）Nb包晶合金依然是以β为初生相凝固。Ti-48Al-（x=4,6,8）Nb包晶合金的一次枝晶间距随着冷速的增加,逐渐减小,线性拟合获得关系式分别为:λ₁=165.83τ^-0.32,λ₁=227.98τ^-0.33,λ₁=278.05τ^-0.34。对于整体铸造TiAl合金而言,应该采用过包晶凝固型TiAl合金,从而尽量避免粗大的树枝晶出现,减少凝固组织中S-偏析,更重要的是过包晶凝固TiAl合金的熔点较低,熔体具有很好地流动性,初生β相结晶温度范围小,初生β树枝晶发育不明显,有利于铸造组织中缺陷的控制。根据Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的成分设计基础,通过调整Al、Nb元素,开发了一种新型过包晶凝固的无明显凝固偏析的中Nb铸造TiAl合金并提出这种合金需要满足两个条件:1.Al元素含量以保证中铌含量3⁵at%的合金以过包晶凝固路径凝固;2.合金包晶反应完之后的残余液相含量与生成的包晶相含量之比为0.95¹。上述两个条件的主要依据为合金在凝固过程中结晶温度区间会随着液相线斜率的增加而增加。结晶温度区间减小,合金在凝固过程中的液相通道将会减小,进而凝固过程中开裂的趋势减小,因此只有α相和β相的结晶温度区间宽度基本上相当才能满足条件。对该新型中Nb铸造Ti-48Al-4Nb-2Cr合金进行高温拉伸性能研究,结果表明,相比较Ti-48Al-2Nb-2Cr合金,Ti-48Al-4Nb-2Cr合金高温800 ^oC下的屈服强度和抗拉强度分别为524和588 MPa,高温强度明显提高,主要是由于Nb含量增加,固溶强化作用增强;孪晶强化也是Ti-48Al-4Nb-2Cr合金高温强化的另一个重要原因。在800 ^oC高温抗氧化试验中,与Ti-48Al-2Nb-2Cr合金相比较,中铌铸造Ti-48Al-4Nb-2Cr合金表现出良好的优势,所开发的中铌铸造TiAl合金是完全具有抗氧化级。