目前,世界上商用的超超临界电站运行的蒸汽温度在600℃左右,热效率为40%～45%。为进一步提高电站的热效率、减少CO2气体排放量和燃煤消耗,下一代先进超超临界电站将蒸汽温度提高到700～760℃,压力达到了 35 MPa,预计热效率将达到50%以上。随着蒸汽温度和压力的提高,对耐热材料的持久强度、腐蚀和高温氧化等性能的要求也更为苛刻。叶片是汽轮机的关键部件之一,当温度提高到700℃及以上时,传统的铁素体和奥氏体耐热钢不能满足先进超超临界汽轮机叶片材料长时持久强度的要求,需要使用镍基高温合金。Nimonic 105合金是γ’相析出强化的镍基高温合金,具有较高的拉伸强度和持久强度以及良好的耐腐蚀和抗氧化性能,是先进超超临界汽轮机叶片的主要候选材料之一。然而,合金的变形抗力大,在锻造和轧制时容易出现裂纹,需要进一步优化合金的热加工工艺。作为先进超超临界汽轮机叶片材料,需要具有较高的持久性能和良好的长时组织和力学性能稳定性,目前还缺乏这方面的研究。因此,本文以Nimonic 105合金为研究对象,系统研究了合金的热变形行为、拉伸性能和变形机制以及合金在长时时效中的组织和力学性能演变,并深入研究了合金的持久性能、变形和断裂机制,主要结论如下:(1)通过热变形行为的研究,建立了合金的热变形本构方程和热加工图,计算获得了合金的热变形激活能为453.99 kJ/mol,确定了合金较适宜的热变形参数:温度为1070～1175℃,应变速率为0.05～0.35 s-1,在此变形条件下可以获得均匀细小的再结晶晶粒。(2)在室温到750℃范围内,合金的屈服强度变化不大,当温度提高到800℃以上时,屈服强度迅速降低。透射电镜(TEM)观察结果表明,合金在750℃以下的主要拉伸变形机制为强耦合位错对剪切;800℃以上时,主要拉伸变形机制为Orowan绕过以及位错攀移和交滑移,位错在基体中均匀分布,使屈服强度迅速降低;750～800℃拉伸变形后,合金的组织中存在少量形变孪晶和扩展层错。(3)在750℃时效16000h过程中,M23C6碳化物缓慢长大,MC碳化物发生缓慢的分解,形成M23C6碳化物和γ’相。时效600 h后,M23C6碳化物的含量由0.72 wt.%增加到0.85 wt.%,延长时间至10000h,其含量变化不大,然后缓慢增加。γ’相的含量在时效初期(600 h)明显增加,由34.3wt.%增加到42.2 wt.%,然后变化不大。在时效过程中,γ’相的尺寸逐渐增大,时效16000 h后,γ’相仍保持球形形貌,平均尺寸由69.8nm增大到186.6nm,尺寸呈单峰分布,γ’相的粗化符合LSW理论;γ’/γ的错配度约为-0.09%。(4)在750℃时效2000h内,γ’相主要被强耦合位错对切过。时效初期(600h),γ’相含量的增加是合金高温屈服强度提高的主要原因。时效5000 h后,主要的强化机制为Orowan绕过,使高温屈服强度逐渐降低。时效16000 h后,合金的室温和750℃高温屈服强度分别为869和745 MPa。合金在750℃时效后冲击韧性的降低主要是由于晶界上M23C6碳化物的析出和长大引起。(5)采用等温线法外推合金在750和800℃下105 h的持久强度分别为200和143 MPa。在750℃/250 MPa持久实验23441 h后,部分γ’相的形貌由球形转变为立方形,同时M23C6碳化物在晶界上形成了几乎连续的碳化物链。TEM观察结果显示,合金在750℃/350～450MPa的主要持久变形机制为强耦合位错对剪切;在750℃/250MPa和800℃/200～350MPa的主要持久变形机制为Orowan绕过。在持久过程中,空洞主要在晶界上的M23C6和MC碳化物的界面处形核,空洞长大并连接,形成裂纹,裂纹扩展导致合金发生断裂。