涡轮叶片作为航空发动机核心部件,长期处在高温环境,接受复杂应力应变考验,成为工况最为恶劣的航空零部件,随着航空发动机推重比的不断提高,复合冷却的单晶空心涡轮叶片的设计与制备已成为制约航空发动机发展的核心技术。根据国家航空发动机用高性能涡轮叶片的重大需求,本论文重点研究了航空发动机用镍基单晶空心涡轮叶片在定向凝固过程中各凝固阶段微结构演变规律及机理,自主设计了单晶空心涡轮叶片铸形及型芯结构,并研究了在其制备过程中关键工艺参数对叶片成型的影响规律,分析了在叶片铸造过程中浇不足、缩松、缩孔、杂晶及小角度晶界等缺陷的形成规律及机制,探究了热处理及再结晶行为对叶片微结构的影响规律及机制,最后,对镍基单晶薄壁铸件高温拉伸和蠕变性能进行表征及断裂机制分析,为高性能单晶空心涡轮叶片的研发提供理论和实验依据。并获得的主要研究结果如下:系统研究镍基单晶合金DD5的定向凝固规律,并通过工艺优化成功制备了镍基单晶空心涡轮叶片,探索了叶片在定向凝固过程中各凝固阶段微结构演变规律及机理,结果表明:选晶器的引晶段随固液面的推进,一次枝晶间距逐渐增大,晶粒偏转角逐渐减小,取向得到优化。选晶段的螺旋结构对晶粒取向没有优化作用。叶身凝固特点是随着叶片壁厚增加,枝晶间距逐渐增大,枝晶干内γ’相的尺寸呈增加趋势。变截面的凝固特征为凝固顺序与其自身的冷却顺序相反,晶体生长是从温度最低的边缘开始不断向叶身推进,最后与叶身生长的单晶组织汇合。自主设计了单晶空心涡轮叶片型芯及铸形结构。研究了 DD5单晶空心涡轮叶片制备工艺,包括氧化硅基陶瓷型芯的制备、型壳与型芯间连接方式、刚玉陶瓷型壳的制备等。通过热重-差热分析(TG-DTA)试验,探究了 DD5单晶合金的相变温度及熔点,并研究了定向凝固过程中,保温温度及抽拉速度对单晶空心叶片微结构的影响,探讨了化学脱芯法中影响脱芯速率的主要因素。镍基单晶空心涡轮叶片铸造缺陷的形成规律及机制研究表明:浇不足缺陷通常发生在单晶空心叶片薄壁位置,金属液的充型能力与合金特性、浇注温度、壁厚尺寸等因素有关;宏观缩松通常产生于沿重力方向的枝晶间,有时会在单晶空心叶片表面形成沟槽状的“隧道式缩松”,有时产生于叶片内部,而微观缩孔产生于枝晶间γ/γ’相共晶组织附近,多呈现为圆形、不规则的长条形或三角形;杂晶通常形核于叶片变截面的边角位置,在远离保温加热器一侧的变截面更易产生杂晶,原始晶粒和杂晶竞相生长形成的晶界迁移是非线性的,一些位置的枝晶相互渗透、犬牙交错,但晶界整体推进趋势并不改变,杂晶晶界是由链条状γ’相和大块γ/γ’共晶体组成;小角度晶界位于相邻一次枝晶间区域,由三维曲面组成,在过渡区形成的二次枝晶呈不对称生长,此外,晶界内会沉淀出一定的碳化物和硼化物,沉淀析出的γ’相立方体也不完整,存在不规则排列形貌。热处理对叶片微结构演变规律研究表明:固溶处理后,枝晶干和枝晶间界限变的较为模糊,但还是有较清晰的分界,元素偏析有所减轻,粗大γ’相及枝晶间γ/γ’共晶组织消除,析出自由的细小不规则的γ’相,随着叶片壁厚增加,残余共晶增多,γγ’相尺寸增大。再经时效处理后,γ’相尺寸分布集中,尺寸差异减少,形貌规则,立方度增加,Y基体通道中析出分布不规则、细小的三次γ’相。叶片榫头再结晶行为研究表明:不同载荷下的DD5单晶试样经1230℃/4h,ac热处理后,随着载荷增加,受载荷影响区域深度增加,该区域枝晶间空间增大,未溶解的共晶组织周围弥散分布大量与γ相共格的γ’相颗粒物,γ’相粒子以胞状形式重新析出,尺寸和深度随载荷的增大而增加;经1315℃/4h, ac.热处理后发生再结晶现象,随着载荷增加再结晶区域增大,受载荷影响区域的枝晶干发生钝化,枝晶干与枝晶间界限消失,再结晶晶粒间存在γ/γ’共晶组织。镍基单晶薄壁铸件高温拉伸断裂机制研究表明:当温度为800℃时,壁厚对拉伸强度有一定的影响,但规律并不明显,随壁厚减小,延伸率减小,薄壁铸件断口形貌平坦;1000℃时,标准试样与薄壁铸件拉伸强度相差幅度比800℃小,标准试样断口有颈缩现象,形成大量的等轴韧窝。薄壁试样断口形貌相似,也存在大量的韧窝,但壁厚为1.3mm和1.6mm的断口在边缘存在解理裂纹。高温蠕变机制研究表明:薄壁铸件相对于标准铸件的变形量和断裂寿命分别减少了 10.676%和20.84h,但变形速率大,蠕变断口内韧窝尺寸相对较小,密度较大,微孔数量较多;DD5单晶合金γ’相定向粗化形式属于N(normal)型筏化,随着离断口距离的增加γ’相定向粗化程度减弱,由于薄壁试样经热处理后的原始γ’相尺寸细小,蠕变过程中γ’相筏形厚度增加明显,而标准试样γ’相筏形厚度也有所增加但并不明显。