高铌TiAl合金的密度低,具有优异的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性能,是航空航天等领域最具有应用前景的轻质高温结构材料。经过多年研究的积累,目前对高铌TiAl合金的成分设计、组织调控、加工成形以及常规的力学性能方面已经基本掌握,但对于其高温疲劳变形的微观力学行为和变形机理方面的研究还相对缺乏,此外,对于提高高铌TiAl合金综合力学性能的方法的研究还不够广泛和全面,现阶段主要是通过调控成分和组织或者通过制备具有择优取向的多孪晶合成晶体(PST)的方法提高高铌TiAl合金的性能。基于上述研究背景,本文结合了扫描电镜、透射电镜和同步辐射高能X射线的测试方法,以全片层组织和双态组织的高铌TiAl合金为研究对象,研究了其高温低周疲劳变形行为、变形机理以及断裂方式。以双态组织的高铌TiAl合金为研究对象,通过预扭转变形引入梯度组织,成功提高了高铌TiAl合金高温力学性能。在此基础上,通过透射电镜和同步辐射技术的结合,揭示了预扭转变形对高铌TiAl合金组织和微观力学行为的影响以及梯度组织提高高铌TiAl合金力学性能的机制。高铌TiAl合金低周疲劳变形行为的研究表明:具有不同组织的高铌TiAl合金,其循环应力-应变响应行为也不同。具有全片层组织的高铌TiAl合金有三种循环应力应变响应方式,分别为循环稳定、循环软化和循环硬化响应。具有双态组织的高铌TiAl合金有两种循环应力应变响应方式,分别为循环稳定和循环软化响应。高温低周疲劳变形机制的研究表明,在全片层组织的高铌TiAl合金低周疲劳变形中,γ相在循环变形的初始阶段承受压应变/应力,在循环变形的稳定阶段和软化阶段承受拉应变/应力;α2相在循环变形中承担应变/应力的情况与γ相承受应变/应力的情况相反,这主要和变形过程中应力在γ/α2片层组织的配分有关;ωo相在循环变形中始终承受拉应变/应力。在高铌TiAl合金低周疲劳变形过程中组织演变主要是发生了一系列相变和Y相的再结晶。其中,ωo相在循环变形的初始阶段由α2片层生成,符合取向关系<1120>α2//<0001>ωo;{0002}α2//{1120}ωo和取向关系:<0001>α2//<1120>ωo;{1120}α2//{0002}ωo。随着变形的进行ωo。相长大并逐渐偏离与母相α2片层的取向关系。预扭转变形对高铌TiAl合金力学性能的影响方面的研究结果表明,预扭转变形引入梯度孪晶组织这一方法,可以同时提高高铌TiAl合金的高温拉伸强度和塑性。二次锻造的高铌TiAl合金在850℃拉伸的屈服强度是395MPa,抗拉强度是494MPa,预扭转180°后的试样屈服强度提高到了 450MPa,抗拉强度提高到557MPa;预扭转360°后的屈服强度提高到了 475MPa,抗拉强度提高到592MPa。高铌TiAl合金在850°C拉伸的延伸率由二次锻造合金的4.6%,通过预扭转180°后提高到了 28%,预扭转360°后提高到了 47%。强度的提高是由于在扭转变形过程中生成的孪晶结构,塑性的提高主要与在孪晶-孪晶交界处发生的γ相的再结晶以及梯度组织在拉伸变形中的应力配分有关。高铌TiAl合金中主要承受塑性变形的γ相中存在越大的压应变/应力,合金的性能提高得越多。对高铌TiAl合金断裂方式的研究结果表明,全片层组织和双态组织的高铌TiAl合金在850℃低周疲劳变形时,裂纹都是在试样表面萌生的。不同组织的高铌TiAl合金其断裂方式不同。具有全片层组织的高铌TiAl合金,在相对较低的应变量变形时,主要是以穿片层断裂为主;在相对中等的应变量变形时,是穿片层断裂和沿片层断裂的混合断裂;在相对较高的应变量变形时,主要是以沿片层断裂为主的断裂模式。双态组织的高铌TiAl合金,在850℃低周疲劳变形的断裂模式是准解理断裂模式。此外,在疲劳试样的断口表面有大量的二次裂纹存在,其产生的原因是由于在γ相和α2相中的应力不仅方向相反,而且数值相差也非常大造成的。根据以上四部分工作的研究结果和认识,本工作初步建立了高铌TiAl合金在850℃低周疲劳变形过程中微观应力-显微组织-宏观性能之间的关系,并提出了通过预变形引入梯度组织提高高铌TiAl合金综合力学性能的方法,为得到性能更加优异的TiAl合金的设计和优化提供了实验依据和新的思路。