高温合金是现代航空、航天发动机及工业燃气涡轮机的关键材料。K424合金作为我国自主研制的镍基高温合金,其铸造过程中所形成的等轴晶组织具有优异的综合使用性能,在发动机涡轮转子、整铸导向器等辅助动力装置中广泛应用。快速凝固作为研发高性能新结构材料的重要手段,可以显著实现晶粒细化效果,得到微晶、非晶和纳米晶结构材料,充分挖掘现存材料的使用潜力。此外,利用快速凝固过程中的非平衡效应,可以制备出过饱和固溶体,通过后续固态相变过程的控制,获得细小弥散分布的沉淀相组织。因此,针对以沉淀相析出为主要强化方式的镍基高温合金,系统研究不同冷却条件下凝固组织细化及不同热处理工艺下沉淀相析出规律,对于理解高温合金的强、韧化机理和性能,优化高温合金的制备工艺,提高材料使用性能具有明显的工程应用价值。本文采用真空感应熔炼与阶梯型铜模喷铸相结合的方式,深入研究亚快速凝固K424合金不同冷却速率下的显微组织变化规律。在此基础上,采取不同的等温热处理工艺,系统分析了亚快速凝固过饱和固溶体组织中的沉淀相析出行为。结合显微硬度的性能测试,建立了材料制备工艺、组织表征与性能检测之间的相互联系。亚快速凝固实验结果表明,冷速的增加可以有效细化K424合金中的γ基体相组织,其中二次枝晶间距约为5μm,仅为近平衡凝固条件下的1/16。枝晶组织的细化及溶质截留的发生,降低了合金中的成分偏析程度,导致γ+γ′共晶组织、MC碳化物相尺寸的降低,并可以有效抑制凝固结束后γ′强化相的析出,有利于过饱和固溶体的制备。热处理研究结果表明,固溶处理后的铸态合金经不同冷却方式,枝晶形貌有所弱化,枝晶花样变得简单。水冷条件下γ′相的形态表现为无规则的棱角状,而空冷和炉冷条件下,γ′相的形态表现为长条状,且边角比较圆钝。亚快速凝固K424合金在800℃、900℃及1000℃下时效240min后,γ′相的尺寸逐渐增大,其数值从0.09μm不断增大到0.35μm,形貌也从球形逐渐转变为方块形。800℃等温时效条件下,当保温时间从30min延长到240min时,γ′相尺寸持续增加,其数值从0.12μm不断增大到0.22μm。硬度测试结果表明,K424合金1100℃+240min固溶处理后,空冷条件下合金硬度最高,为470HV;炉冷次之,硬度值为422HV。水冷条件下,由于γ′析出相数量最少,合金硬度值最低,仅为367HV。当时效时间240min时,亚快速凝固K424合金在800℃~1000℃温度范围内,硬度值先增加、后降低,最高可达489HV。时效温度为1000℃时,γ′相粒子的粗化导致合金硬度值下降至440HV。当时效温度800℃时,亚快速凝固K424合金在30min~240min时间范围内,硬度值同样呈现先增加、后降低的趋势。时效时间60min时,合金硬度值最高,为493HV。