镍基单晶高温合金由于其优异的高温综合性能,而被广泛地应用于制造航天发动机涡轮叶片等耐热部件,随着航空航天工业的迅猛发展,对涡轮叶片的性能要求不断提高,而我国镍基单晶高温合金的研究工作起步较晚,对单晶合金的热处理及各项性能的研究还不够完善,因此,研究及优化高性能镍基单晶合金的热处理工艺及疲劳断裂性能具有重大的科研和实际价值。通过研究一种第二代低铼镍基单晶合金的热处理工艺,并探讨热处理工艺对单晶合金硬度的影响,最后探讨单晶合金高周疲劳的断裂行为。其研究结果如下:通过差热分析得出合金的DSC曲线,确定单晶合金的热处理窗口(即固溶温度区间),为单晶合金设计多组热处理参数,分析固溶处理前后组织的变化及单晶合金性能(硬度)的变化,从而确定优化后的最佳方案。经过固溶处理后发现:均匀化处理和高温固溶处理几乎完全消除合金的共晶组织和成分偏析,使成分均匀,调整了枝晶臂的尺寸;高温固溶处理的温度影响溶解后又重新析出的γ’相的尺寸、数量和立方度形貌,随着温度的升高,析出γ’相的尺寸不断减小(在1320℃时,尺寸最佳,为355~370nm),形貌从较为圆润的圆形逐渐变为立方形。研究发现,一次时效处理的温度和时间影响γ’相的形貌、尺寸和数量,随着一次时效温度的升高,γ’相的尺寸逐渐增大,形貌从不规整的球形调整成规整的立方形,随着一次时效时间的延长,γ’相的立方度呈现出先变好后变差的趋势,温度过高(1200℃),γ’相的边角钝化,出现部分γ’相互相连接的现象。在4h时获得立方度较高的γ’相。二次时效温度影响γ’相立方度的均匀性,在870℃和900℃两个温度下的进行二次时效处理,发现温度升高,γ’相立方度规整,尺寸更加统一。本文实验得到的最佳热处理方案为:1270℃/2h+1280℃/2h+1320℃/4h,AC+1100℃/4h,AC+900℃/24h,AC。单晶合金经过最佳热处理之后,维氏硬度由357MPa提高到537MPa,在短时时效过程中,发现随着时效温度的升高及时间的延长,硬度先升高后降低,温度不同,达到峰值的时间不同。通过对光滑试样、缺口试样进行应力控制的高周疲劳实验,研究发现:该新型镍基单晶合金光滑试样在900℃下的疲劳极限约为400MPa,缺口试样的疲劳极限为315MPa,材料的缺口敏感度约为0.135,表明该单晶合金在900℃时对缺口的敏感性不大,这与合金的较高的高温塑性和良好的抗氧化性能有关。该单晶合金的光滑试样和缺口试样的疲劳断口都分为裂纹萌生区、裂纹扩张区和瞬断区,断口的微观形貌为韧性断裂和脆性断裂复合的混合型断裂。