镍基单晶高温合金具有良好的高温力学性能,已广泛应用于国内外先进航空发动机的热端结构部件。在发动机服役过程中,热端部件长期暴露于高温环境下,长期的高温氧化会使合金抗疲劳、蠕变能力降低,诱发表面裂纹和缺陷的萌生,造成表面强度降低,加速了合金的失效。服役过程中的瞬时加速和刹车过程会导致热端部件温度的瞬时变化,产生瞬态热应力,其循环施加会导致部件局部的热疲劳失效。高温氧化和热疲劳的综合作用严重影响了热端部件的强度和寿命,成为了航空发动机安全服役需要考虑的问题,而当前此类研究还较少,因此本文对镍基单晶合金开展长时高温氧化和热疲劳行为的研究具有十分重要的理论意义和工程应用价值。基于上述状况,本文主要进行了以下方面的研究工作:1)研究了镍基单晶合金在1050℃和1100℃下暴露2000h的长时氧化行为。氧化增重过程在1050℃条件下大致分为三个阶段,而在1100℃条件下大致分为两个阶段。第一阶段的氧化增重均大致遵循抛物线规律。1050℃条件下,第一氧化阶段外部连续致密的α-Al2O3薄膜快速在试样表面形成,并且颗粒状（Ni,Co）O在枝晶干区域快速萌生和生长。500h后氧化层大致呈现3层,外层为柱状（Ni,Co）O层,中间层主要为NiTa2O6,CoCo2O4,CoWO4,NiCr2O4和其他复杂化合物组成的尖晶石相,内层为连续致密的α-Al2O3。随着氧化层的剥落,1000h后氧化增重速率逐渐增加。而在1100℃条件下,初始形成的外Al2O3膜不稳定且不够致密,使其更易发生剥落,主要氧化产物为疏松多孔的（Ni,Co）O,之后三层氧化层结构逐渐生成,300h氧化后生成的内Al2O3膜不致密,氧化层易从内层发生剥落。由于氧化层不稳定且易剥落,300h后氧化增重逐渐遵循线性规律,第二阶段后期试样表面氧化侵蚀严重。分别向内和向外扩散的O2-阴离子和Ni2+、Co2+阳离子的双向扩散是氧化产物结构形成的主要原因。2)研究了1000℃条件下镍基单晶合金的保护性氧化层α-Al2O3膜在2000h长期氧化过程中的演化规律。氧化过程大致分为三个阶段,在第一个氧化阶段,外α-Al2O3膜快速生成。在氧化750h之前,氧化增重遵循抛物线规律,抛物线增重系数与α-Al2O3膜的生长系数相照应。单层α-Al2O3膜较为稳定保持在样品表面,通过O2-阴离子向内扩散与氧化物/金属界面处与Al3+阳离子反应生成α-Al2O3来控制氧化过程。单层α-Al2O3膜的剥落区域的形状呈大致呈现圆环形,在剥落区域内由于Al元素的消耗而形成了（Ni,Co）O层。750h氧化后,氧化层整体结构呈现出三层形貌。随着Al元素的持续消耗,不连续的内α-Al2O3逐渐形成,使氧化层剥落行为较为严重并且氧化增重速率逐渐加快。α-Al2O3膜（控制膜）的演化进程在枝晶干和枝晶间区域不同步,枝晶间区域进程较为缓慢。3)研究了四种表面粗糙度镍基单晶合金的高温氧化动力学及其机理。在氧化初始阶段,外（Ni,Co）O主要在Ra=90nm和19 nm的试样表面产生。相应地,外部Cr2O3和瞬态外θ-Al2O3主要形成在Ra=509nm和182nm的试样表面形成。氧化180min后,所有表面粗糙度试样的瞬时抛物线增重系数（kp）值与α-Al2O3的抛物线生长系数逐渐一致。讨论了表面粗糙度对镍基单晶合金氧化行为的氧化机理。Al的外部扩散通量(DAl)随着表面粗糙度的增加而增加。因此,当选择性氧化发生形成保护性单层α-Al2O3膜时,所需的Al元素浓度随着表面粗糙度的增加而降低。4)研究了25℃（?）760℃/900℃/1000℃条件下V型缺口镍基单晶合金在瞬态热冲击过程中的裂纹萌生行为。缺口处主要有两个主裂纹萌生,其萌生位置大致位于缺口圆周的±45°处,生长方向与枝晶生长方向大致呈45°夹角。{111}<110>滑移系族主要被激活。基于三维瞬态热力耦合理论和应变速率及温度变化率相关的晶体塑性理论,建立了镍基单晶合金在瞬态热应力下的本构模型,模拟了分切应力、应变和损伤的分布及演化。水冷却过程中的模拟考虑了三个不同的表面换热阶段。模拟得到的的裂纹萌生寿命和位置均与试验结果一致。5)研究了25℃（?）760℃/900℃/1000℃条件下V型缺口镍基单晶合金在瞬态热冲击过程中的热疲劳裂纹扩展行为。三种加热温度下裂纹的萌生和扩展行为均表现出“裂纹萌生-加速扩展-稳定快速扩展-减速扩展”的规律。稳定快速扩展阶段的裂纹扩展机理分别为的γ’相剪切,γ’相滑移剪切和γ’相变形滑移剪切。基于热疲劳裂纹萌生行为研究结果中所建立的瞬态热应力本构模型,结合线弹性断裂力学理论,计算了不同长度裂纹模型的应力强度因子（K）和J-积分,通过引入裂纹极限长度影响系数keff,对热疲劳裂纹的扩展行为进行了模拟。三个加热温度下模拟得到的瞬时裂纹扩展速率与试验结果均具有较高的吻合度。