本研究采用正交实验设计方法，探讨了合金元素Co、W和Ti对镍基单晶高温合金铸态组织、高温持久性能和组织稳定性的影响；优化出一种具有较好高温持久性能的单晶合金，并研究了此合金在高温持久过程中的显微组织演化。实验结果表明： 定向凝固过程中由于溶质再分配的作用，元素Co和W富集于枝晶干，而Ti元素强烈富集于枝晶间及共晶区域；各铸态合金的一次枝晶间距不受Co、W和Ti元素含量的影响，而主要取决于抽拉速率等凝固工艺条件。 Co、W和Ti元素对共晶的形成具有不同的影响趋势，Co降低合金中的共晶数量，而W和Ti促进共晶的形成。Ti元素对共晶形成的促进作用尤为明显，不含Ti的合金共晶数量很少，随着Ti含量的增加，合金铸态组织中的共晶数量大幅度增加。含10wt％W的合金在铸态或时效过程中会出现富W和Mo的α相，应使此合金体系中的W含量低于10wt％，这样既可防止α相的形成，也可降低合金形成σ相的倾向。 此合金系的临界平均电子空位数为2.486。当合金的平均电子空位数-Nv＜2.486时，合金的组织是稳定的，在长期时效过程中不会析出σ相；当合金的平均电子空位数-Nv＞2.486时，合金有析出σ相的倾向，随着-Nv值的增大，合金析出σ相的倾向更加严重。针状σ相和α相的析出，消耗了大量起固溶强化作用的W、Mo等元素，导致合金的高温持久性能严重降低。 Co、W和Ti元素对单晶合金高温持久寿命的影响程度不同，Ti含量对持久寿命影响最大，其次是Co，而W对持久寿命的影响最小。Co提高合金的持久寿命；而合金的持久寿命随Ti含量的增加而降低；随着W含量的增加，合金的持久寿命先增加后降低。当合金中的Co含量为10wt％、W含量为8wt％和不含Ti时，合金具有较好的高温持久性能。 此合金系在1010℃/248MPa持久条件下表现出高温下的韧性断裂特征。合金在铸造过程中形成的显微缩松和气孔、γ/γ＇相界面处、合金表面、残留共晶区域及其它缺陷处是持久断裂过程中的裂纹源。 合金在持久的初期阶段立方状γ＇粒子沿与外应力轴垂直的方向发生相互连接；随着持久过程的继续，片状γ＇的长度有所增加，而竖直的γ基体通道基本消失；随着应变量的进一步增加，γ＇相已完全连接在一起，并包围了γ基体，使得γ基体镶嵌在γ＇中，γ＇的厚度也有明显增加，γ＇筏增厚是持久第三阶段起动的原因；合金持久断裂后，已形成的完善筏形组织被破坏，γ＇筏形组织亦不再与外应力轴垂直，而是呈一定的角度。 在持久变形过程中，γ基体通道中具有不同柏氏矢量的位错运动到同一晶面交截相遇时，会发生反应生成另一柏氏矢量的位错而在γ/γ＇界面处形成位错网。位错网的形成是外加应力和γ/γ＇错配度应力共同作用的结果。 合金在高温持久过程中，在外加拉应力的作用下，γ＇相形成元素Al、Ta等超过其在γ基体中的溶解度，这些过饱和的γ＇相形成元素会发生偏聚，形成尺寸为10-20nm的γ＇粒子自基体中析出。