高性能航空发动机是保障国家战略安全的国之重器。涡轮工作叶片是航空发动机内服役条件最苛刻的核心部件,它决定了航空发动机的机动性能和服役寿命。Ni基单晶高温合金是制备涡轮工作叶片的先进材料,它在热力耦合条件下的稳定性决定了航空发动机使役的安全性。理解和掌握Ni基单晶高温合金在使役条件下的微观组织演变机理,是研制组织结构稳定的Ni基单晶高温合金的基础保障。Ni基单晶高温合金在高温应力耦合条件下发生蠕变变形,其主要发生三类微观组织演变:位错网的形成与转变、γ?析出相的定向粗化和拓扑密堆(TCP)相的析出与转变。研究者们虽已针对Ni基单晶高温在高温低应力蠕变条件下所发生的微观组织演变进行了大量的研究,但仍存在许多不足,如在位错网的形成与转变方面的研究,尚未建立涵盖<110>-<100>混合型与<100>型位错网的转变关系;在γ?析出相的定向粗化方面的研究,未揭示筏化五种模型的关联关系;在TCP相的析出与转变方面,未解释同一类TCP相具有不同形貌及与基体取向关系的原因等。针对现状,本文采用先进电子显微学为手段,系统地研究了Ni基单晶高温合金的三类微观组织演变,结论如下:(1)首次提出位错的斜攀机制,并基于该机制完善了位错网的演变模型;修正了的计算晶格错配度的布鲁克公式,大幅提高了其计算精度。在内应力的作用下,位错以滑移、交滑移和扫滑的方式朝{001}?/?′界面运动,从而引起界面位错密度的增加;堆积在界面的位错优先形成<110>型位错网,该位错网由60°混合位错组成;60°混合位错通过斜攀运动转变为<100>方向的刃位错,同时完成位错网向<100>型的转变,转变的中间态为<110>-<100>混合型位错网;降低?/?′界面的错配应力是位错运动的驱动力;现有计算位错错配度的布鲁克公式放大了位错降低错配的能力;而实际上只有位错的刃分量在{001}面内的投影才是该位错降低界面错配的能力;为此,我们提出了修正的布鲁克公式,大幅提高了布鲁克公式计算错配度的精度。(2)澄清了各影响因素对筏化的作用。通过有限元模拟发现弹性变形不会引起错配分布的各向异性,虽然采用近似条件的机械分析发现弹性变形会产生错配分布各向异性,但该错配各向异性远低于合金的初始错配度,因此弹性变形引起的错配各向异性不是筏化的主要诱因。塑性变形时,不同通道中驱使位错运动的分切应力大小不同,导致位错的增值速率存在差异,最终造成位错分布的各向异性;位错分布各向异性产生的错配度差异接近合金的初始错配度,故会诱发筏化;位错产生的应力场会与元素产生的应力场交互作用,导致元素偏聚于位错核上形成柯氏气团,由于位错又是快速扩散通道,会将γ?形成元素传递给γ?,导致位错上遗留γ形成元素,该过程是筏化的体现形式,不是诱发方式。(3)提出了控制TCP相形貌的最小错配度准则及原子结构演变机制。950°C和1100°C时效过程中观测到不同形貌的P相,包括<110>和<112>方向的针状及{110}的片状,这些P相的晶格常数、与基体之间的取向关系均不相同,它们的共同点是生长方向均为最小错配度方向;通过聚焦离子束和超级能谱技术精确获得单层TCP相的成分,获知造成TCP相有不同晶格常数的原因是它们的成分具有差异,而成分差异的本质来源于TCP相的大晶胞特性令它难以拥有固定化学配比的合金成分;由于TCP相成分的不同引起晶格常数存在差异,从而导致TCP相与基体排布方式的不同,进而引起最小错配度方向的差异,在最小错配度方向的影响下,形成了不同形貌的TCP相;通过对TCP相的原子结构进行表征,发现一种TCP相(P相)初始原子结构的形成是由于它与γ原子结构单元的类似性,形成该结构可以最小限度的降低畸变能,而P相原子结构会演变为理论原子结构,因为它才是热力学稳定状态。(4)揭示了低温预蠕变对高温蠕变性能的影响规律。为了独立研究位错网对蠕变性能的影响,本研究通过在750oC以不同加载方式进行预蠕变实验,在保证γ?形状不变的同时,获得不同位错分布各向异性的位错分布结构;由于预蠕变得到的位错分布结构均会在高温蠕变时,快速转变为新应力加载方式诱导形成的位错分布结构,故预蠕变得到的位错分布结构不会影响高温蠕变时的筏化规律;预蠕变产生的位错起到为TCP相的析出搜集元素的作用,故预蠕变的样品在高温蠕变时均观测到TCP相的析出;预蠕变和蠕变过程产生的位错均会令样品的取向发生偏转,造成合金取向集中度的降低;预蠕变实验和蠕变中断实验均会造成蠕变寿命的降低,关于该现象的原因,有待于进一步研究。