TiAl基合金具有低密度、高比强度、优异的高温抗氧化性和抗蠕变性等优点,在航空航天以及汽车领域有广阔的应用前景。然而,由于TiAl合金熔体的高活性、室温脆性以及片层取向控制困难等问题,制约了其工程化发展。冷坩埚定向凝固技术不仅可避免了TiAl合金熔体污染,而且可实现工业级尺寸定向组织的铸锭制备,极具发展意义。　　本文首先系统分析了定向凝固用冷坩埚的结构特点和设计准则,建立了冷坩埚电磁场3-D有限元模型,考察了各因素对坩埚内磁场分布的影响,发现通过增大开缝区截面积、调整壁厚和减小电流频率等手段可以有效增加坩埚内磁感应强度。提出了磁场均匀性指数U,发现减小壁厚和降低频率有利于改善内腔边壁的磁场均匀性,获得同一高度较好的电磁推力均匀性。以此为基础,优化设计并制造出36mm×36mm方形内腔定向凝固用冷坩埚,性能评估表明,此坩埚拥有更大的磁感应强度。　　系统分析了冷坩埚定向凝固各个阶段的传热行为与特点,指出糊状区的传热是影响定向组织生长的核心因素。建立了简化的糊状区传热物理模型,揭示了糊状区传热和晶粒生长取向的关系。在此基础上,分别推导出了糊状区内的轴向和径向温度分布函数,并讨论了糊状区无径向热流的条件。进一步,提出了糊状区轴-径热流密度比K的概念。K值越大,轴向热流越占主导,有利于获得平直化的凝固界面。推导出了凝固界面形状函数,并针对Ti-46Al-6Nb合金,计算分析了温度梯度GL、加热频率f和抽拉速度u对K值和h0L(r)的影响规律和机制,发现通过提高GL,增大f和减小u可以有效增大K值和促进凝固界面的平直化。　　建立了在一定抽拉速度u下,冷坩埚定向凝固中熔池的能量守恒关系,并推导出一定抽拉速度u时的熔池动平衡稳态温度T′m和抽拉前稳态温度Tm之间的数学关系。根据表达式可知,当u→+∞时,T′m→TL,说明抽拉速度越快,熔池温度越接近液相线温度TL,过热度越小;当u→0时,T′m→Tm,说明抽拉速度越慢,熔池温度越接近抽拉前稳态温度,过热度下降越小。　　设计了真空环境防电磁屏蔽的测温系统对冷坩埚中物料进行测温。实验结果表明,Ti-46Al-6Nb合金的温度上升速率逐渐减小,物料温度最终达到稳态。增加物料高度和提高功率可以增大物料稳态温度。Ti-46Al-6Nb合金在16kW左右开始熔化,建立了熔池热电偶测量温度与表面红外温度关系。　　建立了冷坩埚定向凝固Ti-46Al-6Nb合金2-D温度场有限元模型,并结合实验数据验证了模型的合理性。计算分析了各因素对Ti-46Al-6Nb合金温度场的影响规律和机理。增大加热功率、合适的频率、减小侧向综合换热系数和提高物料高度时,熔池体积扩大且过热度增加。过低或过高的频率都难以使物料熔化。有关影响因素之间合理的匹配可以获得较为平直的凝固界面。　　验证了前面提出和建立的传热模型的正确性,并制备出了晶粒取向良好的Ti-46Al-6Nb-(B)合金定向组织铸锭。阐明了加热功率和抽拉速度对熔池体积、凝固界面形貌和晶粒生长形态的影响,并建立了冷坩埚定向凝固工艺窗口图。考察了硼元素对宏观组织的影响,发现微量硼可细化柱状晶和改变先析出相,多量的硼使组织等轴化。分析了铸锭的宏观偏析机制,发现Al溶质随着抽拉距离的增加而增加。研究了铸锭的微观形貌和显微偏析,发现冷坩埚定向凝固过程基本消除了铸态组织中的α型偏析,且显著降低了S型和β型的偏析程度。分析统计了Ti-46Al-6Nb定向组织中的α2/γ片层取向和先析出相,结合界面响应函数(IRF)讨论了先析出相的演化规律和机理,发现组织中的α先析出相比例随着抽拉速度的增加而增加,同一铸锭中位置靠上的部分先析出相为α的晶粒比例相对较大。研究了退火温度和时间对Ti-46Al-6Nb定向组织中显微偏析和柱状晶等轴化的影响,发现β型偏析随着退火时间的延长和退火温度的升高而减轻。定向组织在1300℃退火2h后开始出现等轴化,更高的温度和时间会使柱状晶完全等轴化。　　测试分析了Ti-46Al-6Nb合金的室温与高温拉伸性能,相比于铸态组织,定向组织合金的断裂强度得到明显提升,室温和高温800℃时最高可分别达到473MPa和611MPa。定向前后组织的室温应变率没有明显变化,总体小于0.5％。高温800℃时,铸态组织应变率为2.0%,而定向组织应变率最高达到4.5%,相比提高2倍以上。