本文针对低膨胀高温合金的性能缺点，以Thermo-Span合金为研究对象，通过适当降低Cr含量来降低热膨胀系数，提高Al含量来补偿降Cr引起的抗氧化性能下降，并提高γ′相的析出量和稳定性，通过加入微量元素磷和硼并配合热处理来强化晶界，改善抗缺口敏感性能，全面优化合金的性能。比较系统地研究了Al、Cr、P、B在合金加工处理过程中的行为及其对组织和性能的影响规律，发展了提高低膨胀高温合金综合使用性能的方法。研究了Cr和Al对Thermo-Span合金组织和性能的影响。Cr含量由5.5wt.％降低到3.0wt.％，Al含量由0.45wt.％提高到1.5wt.％，Thermo-Span合金的0～800℃热膨胀系数显著降低。降Cr提Al增加γ′相析出量，合金的室温拉伸和650℃拉伸强度有所提高，拉伸塑性变化不大；显著提高650℃／600MPa的光滑持久寿命，但合金表现出明显的缺口敏感性。650℃下的抗氧化性虽有所降低，但仍保持完全抗氧化级别。氧化层与基体界面处Cr的富集减少，但Al的富集明显增强，可以补偿降低Cr含量引起的抗氧化性能下降。研究了磷和硼对合金铸态组织的影响，证实磷、硼促进凝固偏析和Laves相析出。当磷含量为0.05wt.％时，合金中析出Ti-P相。当硼含量为0.5wt.％时，合金以(B-Nb phase+γ)共晶反应结束凝固。磷对Thermo-Span合金的熔点温度影响不大。硼含量低于0.1wt.％时，对合金熔点温度无明显影响；当硼含量达到0.5wt.％时，由于析出(B-Nb phase+γ)共晶，合金的熔点温度显著降低。研究了标准热处理条件下磷、硼对降Cr提Al的改型Thermo-Span合金组织和性能的影响。磷对合金的晶粒度大小和γ′相析出没有明显影响。γ′相呈细小的圆粒状均匀分布于基体中，晶界析出Laves相。磷影响晶界析出相的形态和数量。磷含量为0.001wt.％时，晶界析出呈块状；当磷含量增加到0.023wt.％时，晶界析出呈由圆粒组成的链状；磷含量增加到0.05wt.％时，晶界析出数量减少，含磷相增多。含磷相大多分布于晶界，也有少量分布于晶内。磷对合金的室温拉伸和650℃拉伸性能影响不大，却显著降低合金650℃／600MPa的持久性能。晶界磷化物析出导致持久性能恶化。硼含量低于0.1wt.％时，晶界析出减少；当硼含量为0.5wt.％时，晶界析出增多，呈小粒状密集分布。硼对合金的室温拉伸影响不大。硼含量为0.1wt.％时，合金的持久性能只有38h；当硼含量增加到0.5wt.％时，合金的持久性能又显著增高。合金的650℃／100h氧化动力学曲线遵循抛物线规律。当磷含量为0.023wt.％时，氧化速率最低，合金表现出良好的抗氧化性。经650℃／550h氧化后，Thermo-Span合金形成的氧化层分两部分，即氧化表层和氧化过渡层。氧化表层富Fe、Co和O元素，氧化过渡层则富Al、Cr和Nb等元素。表面形成的氧化物由针状的Fe、Co氧化物和块状Co氧化物组成，针状氧化物疏松，而Co的氧化物致密。磷含量为0.001wt.％时，氧化表面主要为针状Fe、Co的氧化物。磷含量为0.023wt.％时，合金表面氧化物主要为小块状Co的氧化物及少量的Fe、Co的氧化物组成。磷含量增加到0.05wt.％时，Co的氧化物及Fe、Co的氧化物含量介于两者之间。研究了固溶冷却方法对合金持久性能的影响。固溶温度由1093℃提高到1160℃，再进行标准时效处理，改型合金650℃／600MPa的持久性能显著降低。但此时随磷含量增加，合金的650℃／600MPa的持久性能明显提高。增大1093℃固溶后的冷却速度，即由空冷变为水冷，再进行标准的时效处理，含0.5wt.％硼的改型合金具有较好的光滑持久性能，同时缺口敏感性消失。通过对标准Thermo-Span合金降Cr提Al，并在合金中加入0.5wt.％硼，采用1093℃固溶水冷，然后标准时效处理的热处理制度，获得了一种新型的Thermo-Span合金。与标准Thermo-Span合金比较，该合金具有更低的热膨胀系数，良好的抗氧化性和优良的综合力学性能。