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NiAl合金由于晶体结构长程有序以及金属键和共价键共存，因而具有一系列独特的优异性能，如高熔点、低密度、高热导率和优异的抗氧化性能等，有望取代Ni基高温合金作为航空发动机涡轮叶片材料，但室温塑性差和高温强度低限制了NiAl合金的应用。为了改善NiAl合金的室温脆性，国内外科研人员通过合金化或者先进的制备方法进行了一系列的研究，结果发现定向凝固的NiAl-28Cr-6Mo共晶合金具有较好的综合性能，室温断裂韧性达到21.6MPa·m1/2。但是与航空发动机涡轮叶片的要求相比，NiAl-28Cr-6Mo共晶合金的高温强度还不够高。研究发现Hf添加后通过固溶强化和沉淀强化明显提高了NiAl-Cr(Mo)共晶合金的高温强度，但是共晶胞界上沉淀析出较大块状的富Hf相减小了界面结合强度，导致室温断裂韧性急剧下降，NiAl-Cr(Mo)-Hf共晶合金的室温断裂韧性为6~7MPa·m1/2。本文的研究目的是在保证NiAl基合金较高强度的前提下，通过合金化来提高其断裂韧性。本文以NiAl-Cr(Mo)共晶系合金为研究对象，采用液态金属冷却法进行了系统的定向凝固实验。通过添加不同含量和种类的合金化元素以及改变抽拉速率，研究了NiAl-Cr(Mo)共晶系合金分别以平、胞和枝界面生长时合金化元素对其微观组织和力学性能的影响，同时也涉及高温热处理对合金化的NiAl-Cr(Mo)共晶系合金的微观组织和力学性能的研究。得到的主要结论如下：对于NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金，低速率(6μm/s)时凝固起始阶段出现初生Cr(Mo)枝晶和共晶的竞争生长，随着凝固的进行初生Cr(Mo)枝晶逐渐被淘汰，进而全部演化为全共晶组织，这是由于扩散耦合的共晶生长要比孤立的枝晶生长快得多。随着抽拉速率(6~90μm/s)的增大，初生Cr(Mo)枝晶生长的过渡区长度(L4DLVk0)逐渐减小，从而初生Cr(Mo)枝晶逐渐减少，甚至消失。同时也观察了稳态阶段固/液界面形貌依次经历了平、胞到枝状发展的演化过程。适量的稀土元素Dy或Gd(0.05wt%)通过降低初生Cr(Mo)枝晶尖端的过冷度抑制了NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金起始阶段初生Cr(Mo)枝晶的生长，提高了获得全共晶的效率。适量的稀土元素Dy(0.1wt%)通过降低Gibbs-Thompson系数Γ而细化了共晶层片；而适量的稀土元素Gd(0.1wt%)通过降低液态金属表面张力或者与O结合形成氧化物而增加了结晶核心，从而细化了共晶胞。另外，采用电子探针(EPMA)和能谱分析(EDS)检测了稀土元素Dy和Gd的存在形式，分别以富Dy相和(AlхGd1-х)2O3氧化物的形式存在于合金中。通过EPMA发现极微量的Dy和Gd固溶于NiAl和Cr(Mo)两相，因此只有稀土元素含量不小于0.1wt%时合金中才形成富Dy相或者(AlхGd1-х)2O3氧化物颗粒。为了同时提高合金的室温断裂韧性和高温强度，向NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金中添加高温强化元素Hf和能够细化共晶层片的稀土元素Dy。在定向凝固过程中，随着抽拉速率(6~120μm/s)的增大，NiAl-32Cr-6Mo-0.05Hf(at.%)-0.1Dy(wt%)过共晶合金的共晶层片逐渐细化(4.55V0.40)，共晶胞也逐渐细化，相应的胞间区域增多。层片的细化有利于韧性的提高，相反胞间区域的增多导致韧性降低，因此该合金断裂韧性先增大后减小，在适中的胞或枝界面速率(30或者60μm/s)时达到最大，为9.6±0.2MPa·m1/2，较目前韧性较高的NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Ho)共晶合金提高约20%。同时，该过共晶合金具有很高的高温抗拉强度，最高达到438MPa，较传统高强度的NiAl-Cr(Mo)-0.5Hf共晶合金提高约47.5%，强化机制归结为Cr(Mo)相的增多、Hf固溶体的沉淀强化以及稀土元素Dy的基体净化。为了进一步提高合金性能，向NiAl-Cr(Mo)基共晶合金中添加Fe，结果表明Fe的添加提高了其断裂韧性，使得NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)-4Fe共晶合金的断裂韧性达到13.7±0.2MPa·m1/2，较第5章NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)过共晶合金提高了约40%。本实验还通过研究Fe对NiAl相、Cr(Mo)相和NiAl-Cr(Mo)共晶合金的压缩性能和微观硬度影响的实验来侧面反映断裂韧性的提高。对NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)-4Fe共晶合金进行热处理，热处理制度如下：1）1250℃/48h/炉冷(HT-1)；2）1250℃/48h/水淬+1050℃/24h/炉冷(HT-2)，结果表明热处理后NiAl和Cr(Mo)两相发生了明显粗化，这归因于Fe固溶于NiAl和Cr(Mo)使两相的扩散系数增大，导致高温时热稳定性变差。通过深腐蚀发现粗化的Cr(Mo)相仅发生了局部溶解，纠正了浅腐蚀呈现的Cr(Mo)相完全断开的假象。此外，Hf固溶体相也发生了重新分布，尤其是热处理后两相界面有细小Hf固溶体相的析出。通过透射分析(TEM)还发现共晶两相内颗粒发生了粗化，尤其是时效后粗化更明显。热处理进一步提高了断裂韧性，尤其是时效后韧性达到18.4±0.9MPa·m1/2，韧性的提高与Hf固溶体的重新分布、NiAl和Cr(Mo)两相内颗粒的粗化以及NiAl相中有效固溶强化元素Cr的浓度降低有关。韧化机制包括NiAl相的微变形、稀土元素的基体净化、裂纹桥接、界面剥离和微裂纹的键合等。另外，铸态NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)-4Fe共晶合金的高温抗拉强度达到308MPa，略高于传统高强度的NiAl-Cr(Mo)-0.5Hf共晶合金，这归因于Fe固溶于NiAl和Cr(Mo)引起的固溶强化。热处理后该合金的高温抗拉强度小幅度降低，相反延伸率小幅度提高，这主要是由热处理后NiAl和Cr(Mo)中析出物颗粒粗化以及两相层片粗化所致。