高温合金涡轮叶片作为航空发动机和工业燃气轮机关键部件，其性能与凝固组织密切相关。在高温合金叶片定向凝固常存在一些问题，如：叶片的缘板处形成杂晶，晶体取向偏差过大，成分偏析，粗大枝晶和粗大强化相等有害相的生成等，严重影响了高温合金叶片的性能。因此，控制高温合金定向凝固过程中的凝固缺陷，改善其凝固组织性能，对于高温合金叶片制造具有非常重要的意义。本文围绕高温合金叶片制备过程中存在一些凝固缺陷问题进行研究。以镍基高温合金为研究对象，采用模拟叶片的变截面试样，实验研究了镍基高温合金单个试样和多组试样定向凝固过程中杂晶的形成规律，探讨了磁场对高温合金凝固组织以及变截面处杂晶的影响；利用Procast软件模拟了实际熔模组铸件凝固过程中变截面处杂晶的形成规律。论文主要内容和结果如下：1．变截面试样定向凝固过程中杂晶的形成规律在镍基高温合金DZ417G变截面试样（变截面平台尺寸为2mm）的定向凝固过程中，发现在拉速小于100μm/s时，在截面变化前后，均可获得生长取向一致的枝晶组织；当抽拉速度大于150μm/s时，截面变化后的平台拐角处有杂晶形成，且杂晶区域随着拉速的增大而增大。同时测量了平台拐角处的内外温差，发现该温差达到8.5℃后，将出现杂晶，表明8.5℃温差是出现杂晶的临界值。当温度梯度由70℃/cm提高到120℃/cm时，变截面处出现杂晶的抽拉速度为175μm/s，表明温度梯度的增大能够有效的抑制变截面处杂晶的形成。进行了强磁场控制杂晶的探索，发现在变截面试样高温合金DZ417G定向凝固过程中施加12T磁场后，在150μm/s的拉速下仍可获得生长取向一致的枝晶组织，没有杂晶形成，测温曲线表明，此时变截面处温差达到10℃，表明磁场具有抑制杂晶的作用。其原因可归结为强磁场增大了固/液界面能，引起形核温度的降低（临界形核过冷度变大），从而抑制了变截面处杂晶的形成。2．磁场对高温合金定向凝固组织的影响进而考察了磁场对凝固组织的影响。在磁场下高温合金DZ417G的定向凝固过程中，发现施加磁场后，一次枝晶间距随着磁场的增大先减小后增大，当磁场强度达到6T时，一次枝晶间距达到最小；随着拉速的增大，磁场对一次枝晶间距的影响程度减弱。但在较低的拉速下施加磁场（≤10μm/s），可使试样边缘的柱状晶组织破碎形成等轴晶组织，并随着磁场的增加，等轴晶组织逐渐由试样边缘向中心扩展，最终全部转变为等轴晶组织；当试样尺寸增大时，试样不仅边缘处柱状枝晶遭到破坏，且中心区域的枝晶也出现破碎，形成等轴晶组织，且凝固组织中出现“斑状”组织。这主要是因为磁场诱发的液相中热电磁对流和磁阻尼，及固相中热电磁力三种效应共同所致。在高拉速下（≥40μm/s），磁场对凝固组织作用时间减小，进而对凝固组织作用减弱，柱状枝晶组织保持规则形态。3．截面突变试样熔模组铸件定向凝固过程中杂晶的形成规律对于单晶高温合金DD483对称变截面试样熔模组铸件定向凝固过程，在2mm/min的拉速下，发现当变截面尺寸在10mm至15mm之间时，杂晶仅出现在背阴侧；而当变截面尺寸大于20mm时，在受热和背阴侧，截面变化后的平台拐角处均有杂晶形成。加入随形挡板后，受热侧变截面区域为单晶组织，而背阴侧变截面区域依然有杂晶。其原因为随形挡板可减少加热侧保温炉热区向冷区的辐射传热，提高凝固界面处温度梯度，但对背阴侧的辐射较小影响的缘故。说明利用挡板技术可有效提高温度梯度，减少杂晶。根据以上结果，设计了非对称变截面试样，获得了完整的单晶试棒。因此，需综合控制拉速、温度梯度、挡板、变截面尺寸等参数来消除杂晶。4．熔模组铸件定向凝固过程中变截面处杂晶形成规律的数值模拟结合以上实验结果，利用ProCAST模拟软件，按照试样实际尺寸的大小建模，对实际熔模组试样定向凝固过程中温度场进行了模拟，模拟结果与实测结果误差在5%以内，说明模拟结果可靠。利用该模型对变截面试样（Φ40mm/Φ60mm）定向凝固过程中拉速、保温炉加热温度、模壳厚度对温度分布和杂晶形成倾向的影响进行了分析。计算结果表明降低拉速有利于避免杂晶，在受热侧，仅当拉速大于4mm/min时，平台拐角处熔体过冷度超过形核过冷度，导致该区域有杂晶生成；在背阴侧，几种拉速下背阴侧平台拐角处熔体过冷度始终大于其形核过冷度，因此变截面区域总有杂晶形成。提高加热温度有利于减轻杂晶倾向，当保温炉加热温度为1450℃时，受热侧和背阴侧变截面区域平台拐角处熔体过冷度均大于形核过冷度，因而该处将有杂晶形成；当加热温度大于1500℃时，仅有背阴侧平台拐角处熔体过冷度大于形核过冷度，出现杂晶；增大模壳厚度将增大杂晶的倾向，本研究条件下，仅当模壳厚度大于8mm时，受热侧平台拐角处熔体过冷度将大于形核过冷度，可形成杂晶，而几种模壳厚度下背阴侧变截面平台拐角处熔体过冷度始终大于形核过冷度，因而该区域总有杂晶形成。