高Nb-TiAl合金具有密度低、强度高、抗蠕变性能与抗氧化性等优点,是最具优势的航空航天高温结构材料之一。通过改变合金成分与定向凝固工艺参数实现TiAl合金片层组织的控制,使组织结构与性能得到优化。本文采用感应悬浮熔炼法制备出Ti-45Al-6Nb、Ti-45Al-6Nb-0.4W与Ti-45Al-6Nb-0.8W合金铸锭并重力铸造成合金棒,首先运用Bridgeman定向凝固技术,在1550℃保温温度下,分别以5μm/s、10μm/s和20μm/s的凝固速率进行凝固,制得稳定生长的定向凝固试棒。其次采用光学悬浮区熔法定向凝固技术分别在5mm/h、7 mm/h、10mm/h、15mm/h和20 mm/h的生长速率下制备稳定生长的合金试棒。从光学悬浮区熔法定向凝固样品稳定生长区截取标准拉伸样品进行拉伸与氧化实验。研究表明,W元素含量的变化引起片层取向与片层厚度的变化。随W元素含量增加,α2/γ两相片层厚度先减小后增加。凝固速率变化将使片层取向与片层厚度发生变化。过快与过慢的凝固速率不利于获得平行于生长方向的片层组织,且随着凝固速率增加,片层厚度减小。定向凝固工艺参数与加热方式对合金生长与组织影响显著。较高的温度梯度会缩短竞争生长区,同时也使合金在较高的生长速率下获得与晶体生长方向平行的片层组织成为可能。加热方式不同产生不同的稳定生长区组织,由于电磁搅拌作用,感应线圈加热方式使合金片层内部组织无室温偏析B2相,而光束加热使合金内部片层组织存在B2相。对合金拉伸性能分析可知,晶粒数、片层取向以及偏析B2相对合金力学性能影响显著。在片层与加载轴夹角相同的情况下,单晶合金力学性能优于柱状晶合金；对于单晶合金,当合金片层平行于拉伸轴时,合金力学性能最优,随着片层与加载轴角度的增大,合金性能逐步下降；合金内部偏析B2相显著降低合金性能。对合金高温氧化实验分析表明,当添加少量W元素后,合金表面更加致密、孔洞大幅减少,氧化物颗粒更加均匀细小。对氧化剖面分析表明,在长时间热空气暴露下,在氧化层与片层之间形成了一层以γ相为主的不连续过渡层。增加少量W元素后,合金氧化层厚度减小,过渡层γ相更加连续,过渡层厚度增加。N元素在基体与氧化层界面形成氮化物层,W元素均匀分布在氧化层中,Ti、Al元素呈相反趋势交替变化。当片层垂直于表面时,过渡层γ相不连续,氧化层脱落。当片层平行于外表面时,合金过渡层γ相更加连续,氧化层未发生脱落。