本文通过数值模拟与实验相结合的方法对重型燃气轮机涡轮叶片的凝固过程进行了研究，确定出以液态金属冷却(LMC)工艺制备重型燃机叶片的基本工艺参数，成功制备出重型燃气轮机用定向结晶空心叶片，并将模拟结果与实验结果进行了对比;在实验研究LMC工艺下铸件形状、合金成分对条纹晶缺陷影响的基础上，结合数值模拟分析了条纹晶缺陷的形成因素，为消除条纹晶缺陷奠定了基础。论文的主要内容包括:　　计算了快速凝固(HRS)与LMC工艺下重型燃机叶片的凝固过程。与HRS工艺相比，利用LMC工艺制备重型燃机叶片，可以获得更高的温度梯度以及冷却速率，有利于细化枝晶组织、消除雀斑缺陷。重型燃机叶片不同部位获得最大纵向温度梯度的抽拉速率不同。LMC工艺下，随着抽拉速率从12mm/min降低到5mm/min，固/液界面的形状从凹面状逐渐变平直，优化的固/液界面形态有利于避免缘板处杂晶对原始定向组织生长的阻碍。保温炉温度的提高有利于提高叶片的纵向温度梯度和冷却速率，LMC工艺在保温炉温度为1440℃时仍然可以获得较高的纵向温度梯度以及冷却效率。动态隔热层厚度的增加会使纵向温度梯度降低，但对固/液界面形状的影响较小。　　利用优化后的工艺参数制备了燃机叶片，结果表明:燃机叶片宏观晶粒生长平直、宽度均匀，叶身平均晶粒宽度为8mm，晶粒的最大偏离角度和最大发散角度分别为10°以及12°。LMC工艺同时还避免了缘板位置杂晶对原始定向柱晶生长延续性的影响。通过优化工艺参数，解决了叶片陶瓷型芯的断裂问题，得到了内腔完整的重型燃机叶片。重燃叶片中，雀斑缺陷的出现与凝固过程的热溶质对流密切相关，利用LMC工艺制备的燃机叶片没有产生传统HRS工艺中常见的雀斑缺陷。利用LMC工艺制备的燃机叶片一次枝晶间距为180μm-300μm，远小于HRS工艺下叶片的一次枝晶间距(380μm-550μm)，并且LMC工艺下燃机叶片的显微疏松尺寸为20μm，显微疏松所占面积分数为0.2％，明显小于HRS工艺下燃机叶片的显微疏松尺寸以及所占面积分数（分别为40μm和0.6％）。叶片热处理后共晶和η相等铸态组织基本消除，热处理后组织均匀。研制的重型燃机叶片顺利通过了设计要求的热冲击考核。　　LMC工艺下，利用DD26、DD13以及DD33制备的单晶试棒中均观察到了条纹晶(sliver)缺陷，其中DD26合金产生条纹晶缺陷的倾向较小。规则形状的铸件极易出现条纹晶缺陷，不规则形状的叶片中不易出现条纹晶缺陷。分析认为，LMC工艺显著细化了枝晶组织，细化后的枝晶高温强度偏低;定向凝固中产生的应力作用于枝晶组织，容易诱发枝晶产生变形;变形的枝晶组织在一定的铸件形状以及温度梯度作用下不断生长，形成条纹晶缺陷。