本文利用先进的实验方法及数值模拟对高温合金薄壁特征件充填过程及凝固组织演变规律进行了系统研究。借助同步辐射X射线成像技术原位观察铝铜模型合金薄壁特征件枝晶生长及演化过程，分析了薄壁处枝晶生长演变规律，探索了控制薄壁特征结构处充填及凝固组织的机制。通过数值模拟和特征件浇铸实验，详细研究了重力条件下底注式熔模铸造的充型和凝固规律，为改进重力工艺浇注系统设计提供了实验数据支持。在重力工艺研究基础上，提出了一种适用于高温合金薄壁铸件的调压铸造成形工艺方法并依照工艺要求设计了一套专用实验装置。研究表明：首先，采用同步辐射X射线成像技术对Al-20%Cu模型合金薄壁特征件枝晶演化过程进行原位观察。2mm和5mm厚的薄壁件的枝晶生长方式整体上呈现的特征是，先由两侧形核，形成枝晶，逐步向中心部位生长。同步辐射成像对共晶前沿移动轨迹跟踪发现，当板厚更薄时（2mm），共晶前沿以块状向前推进，枝晶网络形成更快，凝固速度较快；当板厚较厚时（5mm），共晶前沿以凹状曲线向前推进，凝固速度较慢。其次，通过数值模拟的方法研究了铸造工艺参数对K4169合金熔体在底注式熔模铸造过程中的充型流动规律及凝固过程的影响。结果得出，在一定的范围内，浇注温度、浇注流量及型壳温度分别与K4169薄壁铸件充填率和凝固特性成线性递增关系。并确定了获得充型及凝固特性良好的薄壁铸件最佳工艺参数区间，当浇注速度分别为2kg/s、3kg/s时，能够完整充型薄板铸件的浇注温度分别为1550℃或更高。同时，说明在大型复杂薄壁铸件的设计中，尽量避免小于1.5mm薄壁板。然后，通过重力条件下底注式熔模铸造实验对比分析，得到的浇注温度与型壳温度对薄壁板充填率及凝固组织的影响，实验结果大体上与数值模拟一致。通过不同厚度的薄壁铸件的凝固组织对比分析得到，薄壁件内树枝晶排布较为均匀，且枝晶位相较统一，并且枝晶生长方式是由两侧向中心生长，从而验证同步辐射成像中观察的结果。最后，针对高温合金薄壁铸件进行调压充型及凝固过程的数值模拟。对比分析说明K4169合金调压铸造可获得比重力下底注式浇注更平稳的合金液充型。K4169薄壁铸件调压铸造合金液充型平稳，薄壁铸件凝固顺序更有规律性，补缩通道变大，有利于薄壁铸件的补缩。并利用调压铸造的优势，验证加压对薄壁铸件补缩的影响。