钨含量高达10wt.%以上的铸造镍基高温合金,其γ′强化相的初熔温度达到1250℃以上,具有明显的W元素固溶强化效果,而且高温碳化物弥散强化作用充分,因此该类合金具有优异的高温组织稳定性、良好的高温强度和耐热持久性能等特点。由于合金的密度较大,应用于航空发动机叶片优势不明显,但适合地面高温工况应用。随着高温等温锻造成型技术的发展,对高温模具的需求愈发迫切,与钼基模具合金相比,高W镍基高温合金的成本低、适于高温氧化环境和能够制备大尺寸模具。但该类合金在1000～1100℃高温和长达1000小时的使用工况下会出现组织稳定性下降、高温性能明显不足和模具寿命相应缩短的问题。为优化高W镍基铸造高温合金的组织和性能,使其更加适合于高温模具的苛刻使用工况要求,本文开展了W、Mo元素含量对合金组织及性能的影响,合金的高温长时热暴露组织稳定性,高温下不同温度合金的拉伸变形行为和不同模拟工况条件下合金冷热疲劳行为的研究,为铸造高W镍基高温模具合金的成分、组织和性能优化奠定理论基础。本文主要内容和获得结论如下:通过W和Mo元素比例调整,制备了10种铸造Ni-11Co-3Cr-(10～17)W-(0～4)Mo-6Al-2Ti-2Ta-2Nb合金,研究发现17W-0Mo(wt.%)镍基合金铸态下存在α相,1100℃/70MPa的持久寿命为48.9h,而优化后14W-1Mo(wt.%)合金消除了α相,持久寿命达到145.3h,持久时间提升3倍,1100℃高温拉伸强度为460MPa,同时组织稳定性所有提高,经1100℃/1000h热暴露后未见针状M6C碳化物析出。高W镍基合金铸造组织中初生α-(W,Mo)相的析出在很大程度上取决于W和Mo比例。随着Mo/(W+Mo)比例增大,促进合金中棒状或块状α-(W,Mo)相沿(γ’+γ)共晶附近析出,同时抑制了枝晶状α相的析出,析出方式的不同可能与W、Mo元素在合金中偏析不同有关。合金在1100℃/70MPa条件下,二次裂纹主要沿脆性α-(W,Mo)相和基体相的界面处开裂并扩展,所以α-(W,Mo)相的析出对合金持久性能具有不利影响。经过1100℃/1000h热暴露时,α-(W,Mo)相逐渐转变为更硬的大块状M6C碳化物,弱化了合金组织稳定性,持久性能相应下降。通过对14W-1Mo(wt.%)镍基合金经过1000℃～1100℃/1000h热暴露,系统分析了热暴露后显微组织的演变规律,并研究了不同条件热暴露组织对1100℃/70MPa高温持久性能影响。随着热暴露温度的升高,γ’相出现粗化和聚集,经计算表明1000、1050和1100℃下的粗化速率系数(k)分别为5.72、7.40和8.71nm/s1/3。在热暴露过程中,合金中枝晶间析出颗粒状M6C碳化物,析出的颗粒M6C碳化物沿晶界及共晶相附近逐渐演化成链状结构。热暴露温度升高,持久性能有所下降,合金经1000℃/1000h热暴露后高温持久性能为94.8h,1100℃/1000h为49.3h。通过测定14W-1Mo(wt.%)镍基合金20℃～1100℃的拉伸性能,得出该合金性能比其他低W含量镍基铸造模具合金在1000～1100℃时拉伸强度高150～200MPa。在拉伸温度为1000℃时,大部分γ’相出现交滑移,合金的拉伸行为受交滑移机制控制,并在该温度下形成大量不同取向的高密度层错。拉伸温度高于1000℃时,在基体和沿γ/γ’界面处应变诱导析出富钨的纳米级别MC型碳化物颗粒。另外,由于W元素的加入,合金中γ/γ’错配度减小,降低了形核势垒,在基体中形成纳米级别γ’相。大量富钨纳米级别MC颗粒和细小γ’相的析出能够有效阻止位错运动,提升了合金的高温强度。对14W-1Mo(wt.%)镍基合金的上限温度为1100℃的冷热疲劳性能进行探究,并与K002和K403两种模具合金进行对比分析。14W-1Mo(wt.%)镍基合金光板状共晶体积比为15.5%,在冷热疲劳过程中共晶相能够稳定存在,有效阻碍裂纹的扩展。同时,在冷热疲劳过程中,合金中γ/γ′结合处析出μ相粒子,该粒子可钉扎位错,阻碍位错运动,合金的冷热疲劳性能最优。K002合金也具有葵花状共晶,体积比约为12.5%,组织稳定性良好,也具有优良的冷热疲劳性能。而K403合金由于共晶含量少,且碳化物不稳定,在冷热疲劳过程中发生转变,晶界处形成链状碳化物,裂纹沿碳化物开裂,导致冷热疲劳性能较前两种合金差。三种合金裂纹的萌生方式基本一致,均是由于碳化物与基体的热膨胀系数不同,合金在受温度交替变化时,易在基体和碳化物界面处产生裂纹孔洞,从而萌生裂纹。三种合金随着裂纹次数的增加,在合金表面形成均匀致密的氧化物保护膜导致裂纹扩展速率减缓,有利于冷热疲劳性能的提高。