航空工业对高速高温及氧化腐蚀环境中长期服役的高温合金熔模精密铸件提出了更高的组织和性能要求，为此，文中分析了熔模精密铸造过程的传热特性，建立了高温合金熔模精密铸件凝固过程的物理数学模型，考虑了炉体内部辐射换热和模壳定向移动等特殊边界条件。在宏观缩孔缩松计算模型的基础上，发展了显微缩松预测模型，考虑了离心力作用的影响。对钛铝合金增压涡轮关键件进行了凝固模拟计算和试验验证。所建模型能够可靠预测温度场、缩孔缩松和显微缩松缺陷，模拟与试验结果相吻合。半球形冒口工艺优于倒锥形冒口工艺，增大冒口与铸件间模数差或体积比都有利于减少收缩缺陷。涡轮中轴线和叶尖部位显微缩松严重，温度梯度是影响显微缩松分布规律的主要因素。 基于CA原理，建立和发展了凝固微观组织演化过程的三维数学模型，模型考虑了异质形核、成分过冷、曲率过冷和生长各向异性等因素的影响。所建模型能够合理反映凝固条件变化对于晶粒形核、晶粒尺寸、等轴晶柱状晶转变、柱状枝晶生长和自由枝晶形貌的影响规律。模拟了自由枝晶生长的三维复杂形貌，探讨了各向异性对三维生长形貌的影响规律。强各向异性趋于得到分支发达的树型结构，弱各向异性趋于得到表面凹凸不平的近似正八面体结构。模拟结果表明，枝晶内部存在微小孤立熔池，有助于揭示微观偏析和显微缩松等微观组织相关缺陷形成的根本原因。 将试验研究和模拟计算方法相结合，对不同抽拉速度条件下的镍基高温合金单晶叶片模拟件定向凝固过程进行了研究。试验测定了4.5mm/min和7.0mm/min抽拉速度下叶身、缘板和榫头部位的温度和组织变化以及结晶缺陷。结果表明，随局部凝固时间延长，一次枝晶臂间距变大。单晶叶片模拟件上下部位微观组织发生变化，抽拉速度较高时，组织变化较明显，截面突变部位易于出现结晶缺陷。 基于所建微观组织演化数学模型，模拟分析了2.0mm/min、4.5mm/min、7.0mm/min和9.5mm/min抽拉速度下单晶叶片模拟件的晶体生长界面、温度分布、纵向温度梯度和结晶缺陷。计算与实测冷却曲线相吻合，结晶缺陷预测结果与试验观察相一致。计算结果表明，抽拉速度高，生长界面曲率和等温线曲率大，截面突变部位纵向温度梯度低，截面突变位置易产生结晶缺陷。根据数值模拟结果初步提出了减少单晶叶片结晶缺陷的基本思路。