镍基单晶高温合金在高温蠕变、疲劳和抗氧化等方面具有优异的综合性能,是航空发动机涡轮叶片的首选材料。航空发动机高推重比、大推力的发展趋势,使得涡轮叶片用单晶合金中难熔元素含量不断提高,同时为提高气冷效率叶片形状越发复杂,造成了单晶叶片铸造过程中诸如小角度晶界缺陷出现的倾向性增大。现阶段,通过添加晶界强化元素C、B和Hf等提高晶界角度容限的方法逐步得到应用,但微量元素与主量元素的交互作用机理、对具有小角度晶界的合金持久疲劳变形行为和强化机理的影响还需要深入研究。本文针对微量元素C、B和小角度晶界对单晶合金持久疲劳性能的影响,以第二代镍基单晶高温合金DD412为对象,系统研究了 C和B微合金化单晶合金组织和高温力学性能的作用机理,以及C和B共同调控下元素在晶界的偏聚行为、双晶合金横向持久疲劳性能和长时热暴露过程中基体与晶界组织演变,阐明了 C和B对小角度晶界的强化机理。论文的主要研究结果如下:基于热力学计算分析了 C和B对DD412合金凝固参数、相组成和其他特征参量的影响,设计并制备了 6种C（0.015 wt.%～0.035 wt.%）和B（0～0.015 wt.%）含量单独变化的单晶合金,研究了合金在高温条件下的持久性能和低周疲劳性能。研究表明:增加C含量使完全热处理态合金枝晶干γ’相尺寸增大、体积分数明显降低,使Mo、Cr和Re元素在γ’和γ两相中的分配系数减小,促进γ/γ’晶格错配度绝对值增大,降低界面位错间距,从而提高1100℃/130 MPa持久寿命;明显促进碳化物的析出,使760℃/810 MPa持久寿命降低;降低合金层错能,促进980℃低周疲劳变形过程中具有平面滑移特征的滑移带的形成,显著增加疲劳抗力。添加B对完全热处理态合金枝晶干γ’相尺寸和体积分数无明显影响,除Co元素外,其他元素在γ’和γ两相中的分配系数均增大,γ/γ’晶格错配度绝对值减小,界面位错间距增大,从而降低1 100℃/130 MPa持久寿命;抑制基体中层错的产生、提高蠕变应变并延迟合金进入蠕变稳态阶段的时间,降低760℃/810 MPa持久寿命;提高合金层错能,使合金在980℃低周疲劳变形过程中位错密度提高并均匀分布、界面处位错缠结程度加深,从而提高疲劳抗力。采用籽晶法制备了具有0°～15°小角度晶界的DD412双晶合金,对晶界组织进行了表征,系统研究了双晶合金室温至1100℃的拉伸性能和不同温度、应力条件下的持久性能。结果表明:晶界角度的增大会引起晶界处碳化物（主要为MC和M6C）含量的升高和晶界宽度的增大:对于晶界角度小于6°的合金,各温度下拉伸性能和持久性能无显著变化;晶界角度超过6°时,中温（低于900℃）拉伸性能和中温高应力持久性能对晶界角度十分敏感,开始快速衰减;高温条件下,拉伸和持久性能则在晶界角度为9°时才会出现快速衰减,由此确定DD412合金晶界缺陷容限为6°。本文在微量元素C含量0.025 wt.%时,对含有6°和9°晶界合金中的B含量进行了精细调控。利用三维原子探针技术对晶界组织随B含量的变化进行了表征与分析,发现晶界处B 比 C偏聚更强烈,B的引入会加剧Cr、Mo、Re和C在晶界的进一步偏聚,使晶界吉布斯自由能降低、提高晶界稳定性,从而抑制晶界空洞的产生,有效提高双晶合金760℃/810 MPa、1100℃/130 MPa持久寿命和980℃低周疲劳寿命。通过9°双晶合金室温拉伸断口形貌证实了 C和B的共同添加对晶界处M6C碳化物析出的强烈促进作用。对比力学性能的提高程度,确定B最佳添加值为0.004 wt.%。对含有6°和9°小角度晶界的双晶合金在1070℃进行1000 h热暴露实验研究,定量表征了热暴露时间、B含量对合金基体和晶界组织演变的影响规律。结果表明,B的添加虽会使γ/γ’错配度减小,但此时元素扩散系数的提高占主导作用,最终导致γ’相长大速率增大。B的添加使基体中W、Mo和Re等元素偏析程度降低,导致TCP-μ相在高温下的析出驱动力降低,从而显著抑制了 TCP-μ相在热暴露过程中的析出。对6°与9°晶界而言,其形貌无显著差异。随着B含量的升高和热暴露时间的延长,晶界处以M6C碳化物为主的析出相密度提高,降低了难熔元素在晶界处的过饱和度,使晶界在长时热暴露过程中保持稳定。