γ-TiAl合金作为一种新型轻质高强的高温结构材料,具有密度低、弹性模量高、耐高温蠕变和抗氧化性强等优点。随着加入Nb元素的高含量加入,TiAl合金熔点提高,有序化温度也随之提高。γ-TiAl合金有望代替一部分Ni基合金,用于制造使用温度不高于1000℃的叶片、排气阀等航空发动机零部件。目前制约其应用的主要因素是塑性较低以及成型困难。本文设计了 Ti-44Al-9Nb-1Cr-（W,Y）合金,研究了其组织演变规律与性能特征,使用改进的液态金属冷却定向凝固法研究了 W、Y元素合金化与定向凝固抽拉速率等对合金定向凝固过程、组织取向与高温力学性能等方面的影响与作用机理,研究分析了影响定向凝固钛铝合金的主要因素与提高组织均匀性与柱状晶生长稳定性的因素。本课题主要的研究成果如下:设计出按β相凝固路径凝固的Ti-44Al-9Nb-1Cr-（W,Y）合金,通过热力学计算得到Ti-44Al-9Nb-1Cr的相转变图与转变过程中各相的元素组成变化图线,得到合金的相转变路径:L→β+α→α→α+α2→α2+laves→γ+α2+β。相转变中无包晶转变,高温β相会在室温状态下富集β相强化元素（Nb、Cr以及W等）,形成弥散分布的B2相。计算得到合金的的CCT曲线与TTT曲线以预测合金中的马氏体的形成规律。力学性能的模拟结果表明材料在高温下的强度受到应变率的影响较大,高温下蠕变导致材料强度迅速下降。对等轴晶成分的铸态合金进行组织性能方面的研究。证明Cr元素的加入提高合金抵抗长期氧化的能力并细化晶粒;W、Y合金元素的微量加入可以有效细化晶粒,单独作用下Y优于W的组织优化效果。α相温区的短时间退火处理或者正火处理可以得到成分均匀稳定的近片层组织。不低于1150℃的常温水淬火处理可以得到均匀细小、硬度变化不大的马氏体组织。循环热处理的组织细化原理是在全片层组织内部弥散生成新的取向各异的小片层团,并作为长大的核心。经过α相区的短时间退火处理后,0.2W0.2Y合金表现出最好的拉伸性能,而0.2W的单独加入则降低合金的拉伸性能。对设计合金进行定向凝固实验,实测温度梯度为满足合金生长需求的19℃/mm。采用W元素单独合金化时,仅在极高抽拉速率下才能得到极细小且生长不连续的柱状晶粒,组织均匀性较差,β偏析严重。其余W、Y合金化的合金均得到均匀生长的柱状晶,微观组织均为全片层组织。抽拉速率增加,不同成分材料定向凝固试样的柱状晶尺寸均变小,同时B2相偏析均随之变严重,晶内均匀性与铸件显微组织的质量也随之下降。Y元素合金化可以显著的提高合金定向凝固晶粒的生长稳定性,并减缓热流对定向凝固合金宏观组织的影响,从而得到了良好生长的定向凝固组织。而W,Y元素共同作用则在保证柱状晶生长稳定性的前提下对组织进一步细化,在较低抽拉速率得到稳定生长、不受热流影响的柱状晶,合金中B2相偏析也得以控制。对W,Y元素共同合金化的材料进行定向凝固淬火枝晶组织的研究,证实合金确以β冷却路径凝固。随着抽拉速率的增加,初生枝晶中B2相偏析的含量与范围明显增加,同时Nb,W等β相稳定元素大量富集,合金组织成分均匀性降低。Y元素作为形核与固溶强化元素存在于先凝固枝晶中,相应的枝晶间隙则表现为贫Y,这说明Y元素在优化合金组织的同时并不会影响合金定向凝固过程。结合XRD分析得到的B2相偏析加重这一事实,生长速率的提高虽然可以细化柱状晶与晶界的尺寸,却明显降低了合金组织的均匀性。对相应速率的稳定生长定向凝固试样进行高温拉伸实验发现,抽拉速率提高,片层取向与拉伸方向的夹角增加,轴向的片层择优取向性下降,从而导致合金轴向拉伸性能降低。借助EBSD测试手段分析材料高温拉伸断裂机理,发现在高温应力作用下,材料中形核得到多取向的片层团形式,发生了新相生成的再结晶现象。