镍基高温合金具有优异的高温力学性能,被广泛用于制备先进航空发动机和工业燃气轮机的热端部件,是研制高性能发动机的关键材料。材料的宏观性能与其微观组织密切相关,深刻理解合金的微观组织演变规律以及组织演变对性能的作用机理,对合金成分设计和加工工艺优化具有重要的指导意义。现代科学理论的快速发展和计算机性能的飞速提升,使得数值模拟成为一种与实验研究同等重要的研究手段,其中的相场法逐渐成为微观组织演化过程及机理研究的有力工具之一。镍基高温合金微观组织演化的相场模拟已有较多工作,但从应力、弹性及塑性变形、系统能量等内因角度分析微观组织演化机理的研究仍然非常有限,蠕变条件下微观组织演化的相场模型尚不健全。本文以Ni-Al二元镍基单晶合金为研究对象,采用相场法数值模拟并结合实验验证,深入分析了弹塑性应变场演化和系统能量变化规律,考察了时效和蠕变过程中γ’相长大、粗化、筏化、剪切以及失稳等演化过程,力图揭示γ’相的演化规律及其对合金性能的作用机理,为镍基高温合金的研发提供新的相场模型和设计依据。论文的主要研究结果如下:（1）利用耦合弹性场的相场模型研究了等温时效过程中反相畴和弹性能对γ’相演化过程的影响。在时效初期,畴结构不同的相邻γ’相可以发生“合并-劈裂”现象,劈裂的驱动力源于反相畴界能的释放。反相畴阻碍近邻γ’相合并粗化,而源于γ’/γ错配的弹性能则加速γ’相长大粗化。γ’相尺寸随时效时间的变化可以分为长大、过渡和粗化三个阶段,对应的主要生长机制分别为短程扩散机制、合并加Ostwald熟化机制和Ostwald熟化机制。（2）将相场模型中γ’/γ错配度修正为温度的函数,研究了连续二级时效过程中一次时效后冷却速率对γ’相的影响。一次时效后冷却速率越高,二次时效过程中析出的二次γ’相数量越多且尺寸越大。（3）利用耦合弹塑性场的相场模型,系统研究了拉、压、剪和单斜四种应力状态下γ’相的筏化现象,模拟结果与实验观测定性一致。重点探究了剪应力作用下45°型筏化机制,发现在剪应力作用下γ通道中会形成沿[011]和[1]方向分布的高、低等效应力区。这种非均匀分布的等效应力一方面会造成两区域合金元素的化学势差,另一方面会促使γ相的晶格发生非均匀变形,有利于合金元素扩散。在化学势差的作用下,γ’相形成元素沿着优先扩散通道从高应力区向低应力区定向扩散,形成45°型筏。（4）初步建立了适用于镍基合金蠕变组织及性能模拟的新的相场模型,首次实现了蠕变组织和性能的同步模拟。该模型综合考虑了弹性变形、塑性变形以及蠕变损伤对微观组织演化的影响,可以完整地模拟蠕变三个阶段的微观组织演化和塑性变形过程,为蠕变组织及性能的定量预测奠定了基础。（5）利用新建的蠕变相场模型,研究了蠕变应力和γ’相体积分数对合金蠕变组织及性能的影响。随着蠕变应力增大,合金的蠕变寿命降低;随着γ’相体积分数增大,合金的蠕变寿命先增大后降低。由于γ’相体积分数为65%时,γ相通道的内应力、弹性应变和塑性应变均呈最低态,合金具有最低的稳态蠕变速率和最长的蠕变寿命。（6）采用Ni-18.5 at.%Al单晶合金,对新建的蠕变相场模型进行了实验验证。在温度1223 K、三种（80 MPa、100 MPa和120 MPa）拉伸蠕变应力条件下,实验和模拟结果吻合得较好。