镍基单晶高温合金由于具有优异的高温综合性能,被广泛应用于先进航空发动机和地面燃气轮机叶片类热端部件的制造。在镍基单晶高温合金发展过程中,为了提高合金的承温能力和高温性能,其合金化程度不断提高,特别是难熔元素的含量越来越高。典型的第三代镍基单晶高温合金中难熔元素总含量已达到20wt%,Re含量更是高达5~6 wt%。然而难熔元素的不断增加使得合金在服役过程中极易析出更多的拓扑密排相(TCP相),导致合金组织稳定性下降,严重损害合金的力学性能。难熔元素提高合金高温性能与促进TCP相析出的矛盾,在第三代以及更高代次镍基单晶高温合金中表现得尤为突出。因此,对第三代镍基单晶高温合金而言,如何同时兼顾合金的高温性能和组织稳定性已成为非常重要且亟待解决的关键问题之一。本文以研制高性能、高组织稳定性的第三代镍基单晶高温合金为目标,力图探明Re、W、Mo、Cr、Co等元素及其交互作用对第三代镍基单晶高温合金凝固特性、凝固组织、热处理组织和组织稳定性的影响规律,建立提高高难熔元素含量合金组织稳定性的方法,为先进镍基单晶高温合金的成分设计和优化提供理论依据和数据支撑。论文利用热力学计算软件JMatPro对9240组不同成分合金的各种物性参数进行了大量计算。在控制难熔元素总量为20 wt%左右的前提下,选取了18种具有不同Re、W、Mo、Cr、Co含量的模型合金作为研究对象,开展了合金熔炼、单晶制备、热处理、热暴露等实验研究,考察了合金的凝固特性、凝固组织、热处理组织及热暴露组织,系统研究了合金元素的影响及其交互作用,最终优选出一种具有优良组织稳定性的含4 wt%Re的合金,并对其进行了高温持久性能测试。论文主要研究结果如下:(1)通过热力学计算并参考已有研究结果,初步确定了各合金元素的含量范围。Co含量不高于16 wt%,Cr含量不高于6 wt%,Mo含量不高于3 wt%,Re含量不高于6 wt%,W含量不高于9 wt%。W和Re的总含量应控制在12 wt%以内,难熔元素的总含量则应控制在23 wt%以内。(2)Re强烈促进合金元素W、Al、Ta及其自身的凝固偏析,Co对合金元素偏析也有促进作用,Cr、W和Mo对偏析无显著影响。随着Re含量的增加,Re和W在枝晶干上的偏析以及Al和Ta在枝晶间的偏析都显著增加。随着Co含量的增加,Re、W、Ta的偏析都少量增加,而Al的偏析无明显变化。随着Cr或W含量的增加,Re的偏析有轻微增加,而W、Al及Ta的偏析变化不大。Mo对Re、W、Ta、Al的偏析无明显影响。(3)Re含量的增加能够显著降低完全热处理后γ′相的尺寸,Cr或Mo含量的增加也能较为明显地降低γ′相尺寸,Co含量的增加会缓慢降低γ′相的尺寸,而W含量的增加对γ′相的尺寸无明显影响。在Re和W总含量相同的合金中,高W低Re合金中γ′相的尺寸较大,而低W高Re合金中γ′相的尺寸较小。以W代Re后,γ′相的尺寸会有一定程度的增大。(4)长期热暴露实验表明:Mo或Re含量的增加会强烈促进TCP相的析出;Cr含量增加也会促进TCP相的析出,但作用低于Mo或Re;W含量增加对TCP相的促进作用不明显;而Co含量增加能有效抑制TCP相的析出,提高合金的组织稳定性。在Re和W总含量相同的合金中,以W代Re可以显著减少合金中TCP相的含量,有效提高合金的组织稳定性。(5)热暴露初期首先析出σ相,而热暴露后期出现的TCP相较为复杂,同时存在σ相、μ相和R相等多种类型的TCP相。从相形态来看,长针状的TCP相一般为σ相,而长条状和块状的TCP相类型较复杂,有可能是σ相、μ相或R相中的任意一种TCP相。(6)优化设计出一种含4 wt%Re的具有优良组织稳定性和持久性能的第三代镍基单晶高温合金模型合金。该合金在1000℃热暴露1000 h后无任何TCP相析出,1100℃/150 MPa条件下持久寿命达到100 h。