镍基单晶高温合金以其优越的性能,被广泛的应用于先进航空发动机热端部件。然而,随着涡轮前温度的不断提高,含复杂内腔结构的低铼、高性能第三代镍基单晶空心涡轮叶片的制备成为制约航空工业发展的关键。因而,对新型低铼镍基单晶合金空心涡轮叶片组织调控,成为单晶叶片制备工艺及高温性能研究的关键问题。以往叶片用陶瓷模壳大都采用等轴晶叶片制备工艺,缺乏单晶合金用复合陶瓷模壳的设计。此外,之前关于叶片组织研究多集中在实心叶片的凝固分析,未结合叶片空心结构特征进行系统研究。再次,单晶叶片铸造缺陷控制难度大,成品率低,高温性能研究缺乏等问题突出。基于这些问题,本文选用一种新型镍基单晶合金作为研究对象,通过制备单晶空心涡轮叶片试样的工艺过程,研究碳纤维增强复合模壳的性能特点及其对单晶组织的影响,探明镍基单晶空心涡轮叶片组织生长规律;结合多种表征手段,探究叶片几何结构对单晶组织生长以及杂晶、碎臂晶、雀斑等铸造缺陷的影响。同时,分析新型低铼第三代镍基单晶合金在热处理过程中组织演变规律,并考察其高温蠕变与高温氧化行为。得到主要结论如下:1.镍基单晶涡轮叶片用碳纤维增强复合陶瓷模壳研究表明:复合模壳相对传统模壳厚度降低了32.26%,在定向凝固过程中固液界面前沿温度梯度提高了18.4%,叶片一次、二次枝晶间距分别降低了6.4%和11.9%,共晶相含量降低了0.56%,显微缩孔细化,枝晶偏析程度降低。2.镍基单晶空心涡轮叶片凝固行为研究表明:叶片截面变化较小时,等温线沿轴向方向移动,叶片缘板与叶身连接处存在热障区,缘板内枝晶通过衍生高次枝晶臂的形式转向,并绕过热障区进行生长,形成形貌差异显著的四个区域。叶片中一次枝晶间距随着高度的提高而增加,同时截面粗大部位枝晶间距较大,叶片内同一位置,枝晶干部位γ′相尺寸、体积比及立方度皆低于枝晶间区域。3.单晶叶片铸造缺陷研究表明:叶片平台处易形成缩松,该位置杂晶的形成与温度梯度、平台长度及倾斜角、合金临界形核过冷度有关,并且在过冷度较大的位置易形成碎臂晶。此外,引晶条技术的应用能够消除平台远端过冷度,消除碎臂晶并抑制杂晶形成,同时显著降低平台两端枝晶不均匀性。同时,铸件内倾表面易诱发雀斑,且数量随倾斜角的增加呈先增多后减小趋势,若局部轮廓为外凸弧形或者棱角时,也易形成雀斑。4.单晶叶片热处理制度优化及组织演变机制研究表明:随固溶温度的升高,枝晶间残余共晶相逐渐减少。随高温时效温度的升高,γ′相尺寸逐渐增大,形貌由圆形逐渐立方化,而后失稳。此外,短时高温的双段时效可有效避免组织粗化,获得立方度较高的γ′相。获得优化后的热处理制度为1285℃/1h+1300℃/2h+1310℃/2h+1320℃/2h+1330℃/12h,AC;1160℃（1h）+1120℃（4h）;870℃/24h,AC;最终γ′析出相体积比为70.3%,平均尺寸为0.42μm。5.镍基单晶合金高温蠕变及断裂机制研究表明:合金在1100℃/137MPa条件下,蠕变寿命为133h。在15h时,试样表面出现深为10μm的γ′相贫化层;40h时出现等轴再结晶现象,65h时形成类似于共晶的花瓣状组织。95h时,组织内部出现针状TCP相,富集W、Re、Ta等元素。对于其断裂机制,在65h时γ′相定向粗化基本完成,95h时显微缩孔附近出现菱形裂纹,再通过裂纹聚集形成断口,断口由韧窝与撕裂棱构成,无明显滑移面,断口附近内部裂纹处存在再结晶现象。6.新型低铼第三代镍基合金高温氧化行为研究表明:在900℃下氧化增重曲线满足抛物线规律,200h时氧化膜厚度为30μm,其外层为柱形Ni O,内层为致密Al2O3;1100℃时内氧化显著,且外氧化层疏松、易脱落,增重曲线偏离抛物线规律,200h氧化层深度为80μm。Cr元素弥散分布于氧化层内部,而Al密集分布,其氧化层相对致密,阻挡了O元素的进一步扩散。高温氧化行为对Re元素的分布影响较小。