TiAl合金具有密度低、高温力学性能和抗氧化性能良好等优点，是颇具应用潜力的新一代高温结构材料。已有一些铸造TiAl合金部件已经在工程上得到应用。铸造TiAl合金定向层片组织在沿层片方向载荷作用下具有较好的强度和塑性组合，若在叶片类部件中形成层片取向平行于表面的组织将有利于提高其使用性能和可靠性。采用常规铸造方法通过控制凝固条件和合金成分获得整齐对长α柱状晶组织，其内部的γ-TiAl/α2-Ti3Al层片垂直于柱状晶方向，从而获得层片取向平行于表面的定向层片组织。但目前，由于最后凝固区存在层片取向随机的等轴层片团导致该类组织的室温拉伸性能存在波动，不利于其应用的可靠性。因而，本博士论文选题为“提高铸造TiAl合金定向层片组织力学性能稳定性的研究”。　　 本博士论文以TiAl-2.5V-1.0Cr(at.％)合金为基础，开展了以下三方面的研究：一、通过对铸造TiAl合金定向层片组织观察、室温拉伸性能进行统计分析，结合断口研究等轴层片团对室温拉伸性能的影响规律，得出室温拉伸性能稳定的等轴层片团临界尺寸；二、通过铝含量优化和铸造工艺调整抑制等轴层片团的产生或将其控制在临界尺寸范围内，并在板状试样和叶片部件中实现目标组织，最后对成分优化与工艺改进的效果进行研究。另外，本论文还对TiAl合金的硬模铸造技术进行了探索。　　 通过对组织观察和室温拉伸性能统计分析发现，等轴层片团是引起这种定向层片组织室温拉伸性能波动的主要原因。中心等轴层片团的最大尺寸小于800μm时，性能稳定；中心等轴层片团的最大尺寸大于800μm时，其室温抗拉强度在420～615MPa之间，延伸率在0.5～2.0%之间。　　 对断口观察进一步证实，等轴层片团是引起这种定向层片组织室温拉伸性能波动的主要原因。拉伸试样的断裂均为Griffith类型，其断纹起源于等轴层片团，当沿层断裂面面积小于0.5mm2，即等轴层片团尺寸小于800μm时性能稳定。因此，将中心等轴层片团尺寸控制在800μm以内是解决性能波动的根本途径。　　 在相同的工艺条件下，Ti-(47～48)Al-2.5V-1.0Cr(at.%)合金可以获得定向层片组织，可以将中心等轴层片团尺寸控制在1200μm以内，并且随着Al含量的增加，TiAl合金试样中心等轴层片团尺寸减小。但当Al含量大于48at.%时，出现初生γ晶粒。因此，最佳Al含量为47.5at.%。　　 实验发现，在提高浇注温度和降低陶瓷型壳预热温度的基础上进一步增加冷却介质的蓄热系数可以抑制中心等轴层片团的生长。当浇注温度提高到1680℃，型壳预热温度降低到120℃，冷却介质蓄热系数增加到2.01J/m2·℃·s1/2*104时可消除铸造TiAl合金板状试样的中心等轴层片团。　　 对于Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(at.%)合金，当浇注温度为1680℃、型壳预热温度为120℃、冷却介质蓄热系数为2.01J/m2·℃·s1/2*104时，在3批次铸造板状试样中均获得无中心等轴层片团的全柱状晶组织；在该铸造工艺参数条件下，在叶片部件中可以获得全柱状晶组织，且层片界面平行于叶片表面；对3批次试样的室温拉伸性能进行验证表明，铸造TiAl合金试样室温拉伸性能稳定，抗拉强度在540～555MPa之间，延伸率在2.0～3.0%之间，均高于设计部门对性能的要求。　　 硬模铸造TiAl合金10mm厚的板状试样无热裂纹；与陶瓷型壳铸造的试样相比，中心等轴层片团尺寸减小，层片间距大幅度减小，使得其室温拉伸强度有较大幅度的提高。因此，硬模铸造是形状简单、强度性能突出TiAl合金部件的一种经济可行的成形方法。　　 本论文通过分析常规铸造定向层片组织TiAl合金中心等轴层片团对拉伸性能影响，得出可以抑制拉伸性能波动的等轴层片团临界尺寸；进而通过Al含量优化和保证柱状晶连续生长的铸造工艺参数调整，将中心等轴层片团的尺寸控制在临界尺寸以内，提高定向层片组织TiAl合金室温拉伸性能的稳定性，从而增加其作为工业燃机涡轮叶片应用的可靠性和可行性。