镍基高温合金因其具有优异的高温强度、抗疲劳性能、抗高温腐蚀性和高温合金组织稳定性被广泛应用于燃气轮机和航空航天发动机的热端部件,如大型燃气轮机涡轮叶片和高压涡轮叶片等。目前,这类高温合金涡轮叶片通常采用定向凝固的方法进行加工制备,因雀斑、杂晶、缩松等凝固缺陷的存在极大地限制了镍基高温合金在大型燃气轮机叶片制备中的应用前景。而这些凝固缺陷在涡轮叶片中的形成机制与定向凝固过程中的温度场、流场以及溶质场的分布特征和演化规律高度相关。但现阶段就大型燃气轮机空心涡轮叶片凝固过程中的各种物理场之间的耦合交互作用还缺乏深入系统的研究、尚未提出准确的凝固缺陷判据和有效的工艺方案去预测并控制大型涡轮叶片中凝固缺陷的形成。为此,本文以第三代高温合金CMSX-4为研究对象,重点研究了其在定向凝固过程中大型空心涡轮叶片的温度场、流场、溶质场以及电磁场等耦合物理场的分布特征及其演化规律;并提出了考虑动压力项的雀斑形成判据来预测大型燃气轮机空心涡轮叶片中雀斑形成的具体位置。此外,还针对传统工艺中的顽固性问题提出了一系列优化工艺来控制其凝固过程,以期为实现加工制造少或无缺陷的镍基高温合金涡轮叶片提供重要的材料科学基础和工程理论的支撑。取得的主要研究结果如下:揭示了空心涡轮叶片定向凝固全过程中固液界面前沿的温度梯度分布特征和演化规律。模拟结果表明当涡轮叶片倒立凝固时,固液界面由叶身进入榫头位置时,界面前沿的温度梯度由40K/cm突降至11K/cm。此外,固液界面前沿不同位置的温度梯度也存在很大的差别,特别是在叶片榫头位置的几个尖端处,温度梯度对比其他区域明显降低。上述模拟结果与实验对比发现,温度梯度在凝固全程中的突降是形成雀斑、杂晶及缩松等凝固缺陷的主因。建立了预测大型空心涡轮叶片中雀斑缺陷的形成判据。从Darcy定律出发推导出了包含动压力项的雀斑形成判据。其判距临界值会随着合金种类的不同随之发生相应变化:结合实验研究发现在CMSX-4合金中判据临界值为0.85。此外,基于雀斑形成判据预测发现空心涡轮叶片在榫头表面和内部陶芯附近区域的判据数值分别为2.8和1.2,表明这两个位置比其他区域更容易形成雀斑缺陷。提出了用行波磁场来减少甚至消除大型燃气轮机空心涡轮叶片中雀斑缺陷的新工艺,并给出了减少(或消除)雀斑的外加电磁场参数范围。研究结果表明,随着向下方向的行波磁场强度的增加,固液界面前沿的流速呈现先减小后增大的趋势,减小甚至消除涡轮叶片中雀斑缺陷的磁场强度临界范围是0~150mT。反之,向上方向的行波磁场仅能加剧固液界面前沿的流动从而导致雀斑缺陷的增加。抽拉速率和热区温度的提升对叶片中的溶质分布有明显影响。研究结果表明,提高定向凝固抽拉速率和热区温度均可以减轻涡轮叶片外部的偏析程度,但是此时涡轮叶片内部陶芯中间区域的偏析程度会加剧。铸件几何形状对固液界面前沿的流动模式以及雀斑分布规律有显著影响。模拟结果发现当凝固刚进行到平台位置时,固液界面前沿的轴向流动强度突增且温度梯度大幅降低,这两个因素同时持续作用会导致雀斑缺陷的形成。在凝固至末期,固液界面前沿的流动模式会由轴向流动向径向流动切换,雀斑缺陷也随之消失。设计了两种非均匀厚度的模壳,并通过控制模壳厚度比值来实现对凝固过程中温度场的控制。研究表明当厚度比为2时,榫头位置的温度梯度由7K/cm显著上升至17K/cm。此外,当厚度比为0.5时,空心涡轮叶片的固液界面形状可以保持平直,并针对局部模壳过厚不易取出的问题进一步提出了一种复合模壳工艺来控制凝固缺陷。另外还设计了一种可多次脱离式隔热板,其活动部分可在铸件几何截面发生突变时自行脱离,使叶片榫头处的固液界面前沿轴向温度梯度获得显著提升,为控制定向凝固过程中局部位置形成的雀斑、杂晶等缺陷提供了新的技术方案。