随着我国航空技术的不断发展,对高温合金零件的热处理工艺要求也越来越高。传统的淬火方式,如油淬、盐碱浴淬火等,在热处理过程中温降速率可控性较差,同时也会导致热处理后残余应力大、材料易变形等问题的产生,而气淬工艺即气体冲击射流换热具有冷却速率可控性好、残余应力小、无环境污染等优点,可以既满足金相组织生成的冷速条件,又保证热处理后的残余应力不会引发材料变形等问题,因此气体冲击射流换热在航空制造领域方面越来越受到重视。本文根据气体冲击射流换热基本原理,针对径向尺寸较大的薄壁环件,对气体冲击射流冷却过程中环件的温度场以及应力场进行了以下研究:首先,建立了表面换热特性数值模型,设计并搭建了气体冲击射流冷却的零件表面换热特性实验装置,探究了喷管到零件表面距离、喷管排布布局、喷管个数等参数对表面换热努塞尔数的影响,验证了零件表面换热特性规律,为后续研究奠定了基础。其次,根据表面换热特性规律建立薄壁环件气体冲击射流换热数值模型,仿真分析了环件冷却过程的冷速变化规律,依此对模型结构进行初步优化;设计并搭建薄壁环件冲击射流换热实验装置,得到薄壁环件冷却过程温度场变化的实验数据,将实验数据与仿真数据对比,分析误差产生的原因,并对数值模型进行校正,得到一种更加准确的数值模型。最后,通过多物理场温度-应力耦合仿真分析,得到了薄壁环件气体冲击射流换热过程中内部的热应力曲线,与实验数据对比验证了仿真结果的准确性;分析薄壁环件内部监测点冷速与应力间的相关系数,明确了薄壁环件内部高相关度系数区域,通过优化冷速的方案来减小应力峰值,采用响应曲面法优化环件内部冷速;通过数值模拟计算证明优化过的气体流速参数可明显减小环件冷却后的应力峰值。