TiAl合金是一种新型轻质高温结构材料,具有密度低、高温比强度和比模量高、高温抗蠕变和抗氧化性能优异等优点,在航空航天和汽车发动机等领域极具应用前景。然而TiAl合金室温塑性低,高温变形能力差,800℃以上抗氧化能力不足,这些因素制约了该合金的工程化应用。高铌TiAl合金是高温高强TiAl合金发展的典范,而新型β型γ-TiAl合金具有优异的高温变形能力,拓宽了 TiAl合金的热加工工艺窗口。本文围绕高铌TiAl合金 Ti-43Al-6Nb-1B和β型γ-TiAl合金Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B(at.％),对两类合金的热变形行为、热加工技术、热处理工艺、显微组织和力学性能进行了系统的研究。　　采用热物理模拟手段,研究了两类合金的热变形行为,揭示了合金组织的演化规律以及变形量、变形温度和应变速率对合金流变应力的影响机制。发现两类合金的流变应力都随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低。Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的变形组织强烈地依赖于变形量、变形温度和应变速率,而Ti-43Al-6Nb-1B合金的组织演化对应变速率不敏感。两类合金在不同的温度区间均发生了复杂的相变和动态再结晶过程。通过对热力学数据计算分析,发现含B2/β相的Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金具有更低的硬化指数和热变形激活能;建立了两类合金的热变形本构方程,为后续热塑性加工工艺参数的选择以及设备吨位的确定提供了理论指导。　　基于动态材料模型(DMM),建立了两类合金的热加工图,并揭示了工艺参数、组织演化和加工图中功率耗散因子η之间的内在联系。发现在低温高应变速率区,η值最低,合金发生开裂,而在高温低应变速率区,η值最高,该区发生了充分的动态再结晶。Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B比Ti-43Al-6Nb-1B合金具有更宽的热加工工艺窗口,主要是因为高温b.c.c.结构β相的引入,有利于组织的软化并协调层片晶的变形,提高了高温变形能力。基于热加工图并兼顾热变形组织的二次加工变形能力,确定了两类合金的最佳热加工工艺参数。　　根据热物理模拟实验优化的工艺参数和包套锻造工艺的改进,成功地制备出大尺寸的优质TiAl合金锻饼,两类合金锻饼的组织均匀性都较好,力学性能优异。Ti-43Al-6Nb-1B合金的锻态组织是由细小的γ晶、等轴的层片晶以及少量拉长的层片晶等组成的双态组织,Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的锻态组织由86%左右的γ和11.7%的B2等动态再结晶细晶以及少量残余层片晶组成。锻态Ti-43Al-6Nb-1B合金具有与常规高铌TiAl合金同等优异的力学性能,在室温至750℃之间,拉伸强度保持在950MPa以上,室温延伸率为0.8%。锻态Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金室温延伸率为0.4%,直到750℃,拉伸强度保持在900MPa以上,800℃开始出现超塑性延伸率。通过热处理消除锻态组织中 B2相,得到双态组织,延伸率提高至0.8%。通过纳米硬度测试,发现B2相在室温下为脆性相,具有远高于γ相和α2相的硬度,纳米硬度达到8.5GPa。提出B2相对TiAl合金的低温塑性不利。　　研究了锻态Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金在850℃-950℃,1×10-4-4×10-4s-1条件下的超塑性拉伸变形行为及其失效机制。发现在1×10-4s-1速率下,850℃、900℃和950℃的延伸率分别达到200%、300%和405%。此锻态合金在900℃-950℃之间具备典型的低温超塑性变形能力。细小均匀的锻态组织,高温下较软的β相的存在,是该合金出现低温超塑性变形行为的主要因素。通过对断裂试样的显微组织观察,发现超塑性变形过程中,产生了空洞,且空洞的产生远在层片晶的分解以及γ和β晶粒的动态再结晶之后。空洞长大并相互连接形成空洞梁,空洞梁的横向连接造成空洞失效,并导致超塑性变形试样的断裂。　　研究了两类锻态合金的热处理工艺,揭示了不同组织的热处理工艺规则,并研究了组织与力学性能之间的关系。锻态Ti-43Al-6Nb-1B合金在单一α相区进行1320℃/1h/FC热处理得到全层片组织,经过在α+γ双相区1250℃-1270℃/4h/FC热处理即可得到双态组织;锻态Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的组织热处理工艺具有特殊性,只有在α+β双相区较高温度(1320℃-1400℃等)下热处理才能得到全层片组织,通过1320℃/1h+1240℃/4h/FC双步法热处理或者在Tα(≈1250℃)附近1250℃/4h/AC处理才能得到双态组织。该锻态合金的热处理工艺特殊性,是由难扩散的强β相稳定化元素 Mo引起的,因为 Mo提高了γ相的高温稳定性和存在温度。提出此锻态合金的热处理工艺,可以根据其主要的组织组成γ晶粒的合金成分进行制定。两类合金锻态组织的强度最高,双态组织具有最佳的塑性,全层片组织的塑性和强度均较好。　　通过“V”型缺口试样三点抗弯试验,对Ti-43Al-6Nb-1B合金不同组织的断裂韧性和断裂行为进行了研究,揭示了全层片组织韧化的机制,并建立了预测全层片组织裂纹扩展路径和断裂方式的模型。该合金的全层片组织具有最佳的断裂韧性,KIC值达到22MPa·m1/2,双态组织的KIC值仅为18.4MPa·m1/2。层片晶粒含量的提高、晶粒的粗化和层片间距的细化有利于断裂韧性的提高;全层片组织的韧化机制就是裂纹在扩展过程中的不断偏转。发现断裂方式和裂纹扩展路径取决于层片晶与裂纹前沿之间的取向差,并建立了全层片组织“基于层片晶取向的裂纹扩展模型”。