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随着航空航天工业的发展，人们对高温结构材料的使用温度和综合力学性能的要求越来越高。金属间化合物NiAl具有高熔点、低密度、高热导率和优异的抗氧化性等优点，但室温塑性差和高温强度低限制了其实际应用。将定向凝固和复相强化技术结合起来制备NiAl基共晶自生复合材料是提高NiAl合金性能的有效方法。本文采用高温度梯度定向凝固技术，向NiAl合金中添加不同含量的Cr、Mo元素，在NiAl-Cr(Mo)合金共晶到过共晶的大成分范围内深入分析了定向凝固工艺参数对相的生长和选择机理、固/液界面形貌和凝固组织特征等的影响。同时探讨了NiAl-Cr(Mo)合金凝固组织与力学性能的关系，分析了合金的强韧化机理。最终在定向凝固NiAl-Cr(Mo)过共晶合金中制备出含有大体积分数强化相、片层排列规则的全共晶组织，材料的室温断裂韧性和高温拉伸强度均有明显的提高。本文的主要研究结果如下：定向凝固NiAl-xCr-6Mo（x=28、32、36）合金的凝固组织由片层状的NiAl相和Cr(Mo)相组成。在各种定向凝固条件下，NiAl-28Cr-6Mo共晶合金和NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金均能够获得全共晶组织；而NiAl-36Cr-6Mo过共晶合金只有在较低的抽拉速率下才能获得全共晶组织，在较高抽拉速率下的凝固组织为Cr(Mo)枝晶+共晶组织。随抽拉速率的提高，由于G/V值减小，且固/液界面前沿Mo元素的富集加剧，共晶两相生长界面失稳。合金固/液界面形貌会经历平界面→胞状界面→树枝状界面的转变，相应的凝固组织也会由平界面共晶向胞状共晶和枝状共晶转变。高温度梯度能提高NiAl-Cr(Mo)合金的平/胞转变速率和扩大共晶耦合生长区范围，有助于在较高的抽拉速率下获得规则全共晶凝固组织。在抽拉速率不太高时，NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金在定向凝固初始阶段有Cr(Mo)初生相产生，随着定向凝固的进行，初生相数量逐渐减少直至被完全淘汰，最终获得全共晶组织。但当抽拉速率进一步增大时，枝状共晶相直接形核并长大。在相同的过共晶成分，即Cr+Mo元素总含量相同时，Cr、Mo元素的相对含量显著影响合金的定向凝固组织形态。当Mo元素含量为2%时，平界面合金中出现了一些棒状Cr(Mo)相，且合金的平/胞和胞/枝转变速率均会增大。Mo元素含量的降低，能使合金生长界面前沿富集的Mo元素减少，界面稳定性增强。共晶片层间距λ随抽拉速率V的增大逐渐减小。当温度梯度为250K/cm时，在NiAl-28Cr-6Mo合金中其关系符合λ=4.48V-0.40，而在NiAl-32Cr-6Mo合金中其关系符合λ=4.82V-0.42。这表明J-H模型也适用于NiAl-Cr(Mo)多元共晶合金的胞状和树枝状生长。随偏离共晶成分程度的增大，合金中Cr(Mo)强化相体积分数越来越大。NiAl-28Cr-6Mo共晶合金中Cr(Mo)强化相体积分数约为48.4%，而NiAl-32Cr-6Mo和NiAl-36Cr-6Mo过共晶合金中分别为54.3%和59.1%。当NiAl-Cr(Mo)合金以共晶胞状生长时，胞状组织的形貌随抽拉速率的变化不是线性的。在中间的某个抽拉速率下获得了超细胞状共晶组织。此时的胞间区域很小，胞界处无粗大的短片状组织存在，胞内和胞界处的共晶片层厚度基本一致。计算发现，相对于粗胞状生长时的共晶胞尖端过冷度，此时的胞尖端过冷度最小，界面稳定性最高，合金以浅胞状方式生长。随Cr(Mo)强化相体积分数的增大，定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金的室温断裂韧性和高温抗拉强度均逐渐提高。其最高值分别达到了26.15MPa·m1/2和513.8MPa，明显高于目前所有的NiAl-Cr(Mo)系合金。在相同的成分下，平界面共晶组织合金的性能高于粗胞状共晶组织，但生长较好的胞状共晶组织合金的断裂韧性基本与平界面组织合金相当，高温抗拉强度甚至比平界面组织合金要高。这是因为生长良好的胞状共晶合金的胞界结合强度较高，提高了裂纹扩展阻力，同时共晶胞内和胞界的变形较为协调。这突破了胞状共晶合金不适用于共晶自生复合材料的传统观念，同时也提高了实际的工业生产效率。室温时定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金表现为脆性伪解理断裂，在试样断面上可见解理面、解理台阶和撕裂棱。裂纹桥接、裂纹偏转、裂纹钝化、裂纹再形核、界面剥离、剪切带韧化和微裂纹连接等韧化机制均不同程度地提高了裂纹扩展阻力，对NiAl-Cr(Mo)共晶复合材料室温断裂韧性的提高作出了贡献。在1000℃时，NiAl-Cr(Mo)合金基本表现为塑性断裂，在断面上可见许多韧窝。细化的共晶片层、大体积分数的Cr(Mo)强化相、共晶两相中固溶的第二相颗粒均有利于提高合金的高温抗拉强度。不同组织形态的合金中界面的结合强度有明显差别，这对合金的高温拉伸性能有显著影响。片层规则的平界面共晶合金中高的界面结合强度是其拉伸强度提高的重要原因。粗胞状共晶合金中尽管片层细化产生了很大的强化效果，但弱的胞界使裂纹易在胞界处萌生和扩展，产生了更大的不利影响，其性能明显下降。得益于良好的胞界结合强度，快速生长时超细胞状共晶合金的高温抗拉强度明显提高。