先进航空发动机和重型燃气轮机是航空与能源领域的核心装备,直接关系到国防安全和国民经济发展。镍基高温合金是航空发动机和燃气轮机热端部件的关键材料,发展高推重比航空发动机以及高功率、高热效率重型燃气轮机对高温合金材料的综合性能提出了更高的要求。我国在先进航空发动机和燃气轮机关键技术方面与国际先进水平存在差距,加速研发新型高温合金是发展未来装备的关键。因此,开发具有自主知识产权的先进航空发动机和重型燃气轮机用新型镍基单晶高温合金,对提升我国能源安全和国防安全具有重要意义。新型长寿命镍基单晶高温合金需要具有足够的高温强度、优异的长时组织稳定性、抗氧化和抗热腐蚀性能以及良好的工艺性能等。根据以上性能需求,为了研制新型长寿命第二代镍基单晶高温合金,本论文开展了基于热力学计算的合金成分设计以及组织与性能研究工作。本论文首先采用热力学计算方法分析了 Mo、W、Ti、B和Hf元素对合金重要特征参量的作用。在 Ni-5.6Al-8.0Co-6.0Cr-0.5Mo-3.0Re-6.0Ta-4.5W-0.03C-0.01B-0.1Hf合金基础上,考虑多种元素的交互作用,改变Mo、W、Ti、B和Hf元素的含量,设计了 9种符合正交设计的合金,以及3种单独改变Mo、W、Ti含量的优选合金,系统研究了实验合金的显微组织、高温蠕变性能、长时组织稳定性以及抗氧化和抗热腐蚀性能。对上述完全热处理态合金的显微组织进行了定量表征。研究表明,增加Mo、W、Ti含量,均能使γ’相的体积分数增加,γ’相平均尺寸减小,γ通道宽度减小。采用高能X射线同步辐射精确测定了室温下热处理态合金的γ和γ’相晶格常数。结果表明,增加Mo、W、Ti均使γ/γ’错配度绝对值增大。采用三维原子探针精确测定了热处理态合金的γ’和γ相成分。结果表明,Mo、W、Ti含量影响合金元素在γ’和γ相的分配系数kγ’/γ,增加Mo和W含量均使Cr、Mo、W和Re的分配系数减小,Al和Ta的分配系数增大,而Co的分配系数不变;增加Ti含量使Cr、Mo、W、Re和Ta的分配系数减小,Al的分配系数增大,Co的分配系数略有增加。对正交和优选系列合金进行1030℃/230MPa蠕变测试,并对显微组织和位错组态的演变进行表征。研究表明,增加Mo、W和Ti含量均能够使合金在1030℃/230MPa的蠕变寿命提高,最小蠕变速率降低,达到最小蠕变速率的持续时间和累积应变增加,1%蠕变中断的筏排组织完善程度提高,γ/γ’界面位错网络的平均间距减小。增加Mo、W和Ti含量引起合金的γ’相体积分数增加和平均尺寸减小,γ/γ’错配度绝对值增大,γ基体的固溶强化效果和γ’相强度提高,γ基体的有效扩散系数降低,这些因素都有利于蠕变性能的提高。特别的,添加0.5 wt.%Ti所引起的以上一系列变化的综合作用使合金的蠕变抗力显著提高,承温能力与第三代镍基单晶高温合金René N6相当。对正交和优选系列合金进行950℃/10000 h长时热暴露处理,分析了显微组织演变及TCP相析出规律。研究结果表明,增加Mo和W含量均使γ’相长大速率减小,主要是因为溶质元素在基体的扩散系数减小;增加Ti含量使γ’相长大速率略有增加,主要原因是高的错配度产生更大的共格应力,提高γ’相长大的驱动力;错配度增大以及γ通道宽度减小会促进γ’相发生连接。μ相的析出倾向与基体中Mo、W、Re和Cr等元素的过饱和程度有关,长针状μ相比链状μ相更容易产生应力集中,对持久性能不利。对于W+Mo总含量为8 wt.%的实验合金,降低W/Mo 比例可以减轻Re、W等元素在枝晶干的偏析,降低Re、Cr、Mo等在γ相的富集程度,使合金在950℃热暴露10000 h后仍不析出μ相,提高合金的长时组织稳定性。对优选系列合金进行了 950℃氧化和燃气热腐蚀实验。研究表明,氧化层从最外向内依次为:以（Ni,Co）O为主的表面氧化物层,富Al和Cr的尖晶石以及Cr2O3等复杂氧化物,内部Al2O3氧化层。增加Mo和W均使合金的氧化增重减少,增加Ti对氧化增重影响不大。燃气热腐蚀后形成的腐蚀层从外向内依次为:NiO为主的表面氧化物层,富Cr和Al的尖晶石层,富Ni和Al的尖晶石层,富Al、Cr、Ni和Ta的混合氧化物,内部Al2O3层。添加Mo和W使热腐蚀速率提高,添加Ti使热腐蚀速率降低,实验合金的抗热腐蚀性能优于René N5。综上所述,通过本论文的研究,阐明了 Mo、W、Ti对新型长寿命第二代镍基单晶高温合金的长时组织稳定性、高温蠕变性能和抗燃气热腐蚀性能的影响规律和作用机理,成功研制了一种具有优良的高温蠕变性能、长时组织稳定性和抗氧化热腐蚀性能的新型长寿命第二代镍基单晶高温合金,通过添加微量Ti使合金蠕变性能进一步大幅提升,承温能力达到了第三代镍基单晶高温合金René N6的水平。因此,本论文可为发展新型长寿命镍基高温合金提供科学指导和工艺参考。