本文主要采用体视显微镜、金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射技术（EBSD）和ProCAST有限元数值模拟等方法,对镍基单晶高温合金中雀斑缺陷进行了系统研究,分析了雀斑的形成过程、演化机制,同时研究了雀斑缺陷对单晶高温合金持久性能的影响。主要内容包括:根据单晶叶片典型结构,设计了收缩结构和扩张结构两种结构的铸件,在不同的拉速下进行定向凝固实验,考察了雀斑的形成情况。研究结果表明,雀斑倾向在铸件内侧的棱角位置形成,这是雀斑在糊状区最高处形成的结果。在定向凝固过程中,铸件内侧棱角首先凝固,枝晶偏析排出的溶质在棱角处富集,密度较低的富溶质液相流向液相区,产生向上的溶质流动通道。同时,附近的枝晶间液相向通道中补充,使富含溶质的液相继续向棱角处聚集,导致热熔质对流通道在糊状区最高处优先形成。另一方面,倾斜糊状区引起的横向补缩流动也导致溶质在内侧棱角聚集并形成热熔质对流通道。热熔质对流可造成枝晶的折断,最终在铸件内侧棱角处形成雀斑。对比了不同拉速条件下雀斑的形成倾向,拉速1 mm/min下雀斑最严重,6 mm/min下次之,3mm/min下最轻;对比了两种结构铸件的雀斑形成倾向,拉速1 mm/min下扩张结构铸件的雀斑更严重,而3和6 mm/min下收缩结构铸件的雀斑更严重。雀斑的形成倾向是冷却速率和补缩流动共同作用的结果。在1 mm/min的低拉速下,较低的冷却速率导致一次枝晶间距和枝晶间渗透率较大,雀斑大量形成。拉速提高到3 mm/min,冷却速率提高,雀斑明显减轻。拉速进一步提高到6 mm/min,补缩流动作用增强,糊状区倾斜程度和雀斑形成倾向增加。相比于扩张结构铸件,收缩结构铸件中的补缩流动更强,在高拉速下表现出更大的雀斑形成倾向。基于以上研究结果,通过采取合理的工艺设计,可以优化糊状区形态,有利于减轻甚至消除雀斑缺陷。分析了雀斑演化为杂晶和雀斑演化为条纹晶两种演化行为。在拉速1 mm/min下,铸件棱角处的雀斑能够演化为杂晶。一方面,单晶基体与型壳壁之间形成了发散界面,为雀斑的长大提供了生长空间;另一方面,低拉速下基体枝晶的生长速率较低,为雀斑的长大提供了生长时机。因此,雀斑晶粒能够随机地作为起始核心,进一步演化成为杂晶缺陷。收缩结构铸件扩展区的雀斑能够演化为条纹晶,在扩展区的定向凝固过程中,随着糊状区形状的改变,雀斑形成的位置发生转变,雀斑通道中富溶质液相在末期凝固过程中产生了热收缩应力,使封闭雀斑通道的枝晶发生变形,从而引发了条纹晶。制备了含雀斑和无雀斑的单晶板状持久试样,研究了雀斑缺陷对单晶高温合金高温及中温持久性能的影响。结果表明,雀斑缺陷使单晶高温合金的持久性能下降,且中温高应力条件下降低更明显。950℃/130、150和170 MPa条件下,面积分数2%～53%的雀斑使持久寿命降低了 24%～95%,且随着雀斑面积分数的增加,持久寿命降幅有增加的趋势;760℃/510、530和550 MPa条件下,面积分数10%～24%的雀斑使持久寿命降低了 95%以上。在不同的持久实验条件下,含雀斑试样沿晶裂纹的形成机制不同:950℃/150 MPa条件下,含雀斑试样的沿晶裂纹是由晶界滑动引起的楔形裂纹,沿晶裂纹多形成于Schmid因子较小而Taylor因子较大的雀斑晶粒周围,在高温低应力的低蠕变速率条件下,这些雀斑晶粒难与基体协调变形,易发生晶界滑动并引起应力集中,进而导致沿晶开裂。760℃/530MPa条件下,含雀斑试样的沿晶裂纹是由空洞形核长大引起的γ形裂纹,沿晶裂纹多形成于Schmid因子较大而Taylor因子较小的雀斑晶粒周围,在中温高应力的高蠕变速率条件下,这些雀斑晶粒中的位错首先开始滑移,位错塞积引起的应力集中导致空洞在晶界形核、长大,进而互相连接形成裂纹,在高应力的作用下裂纹快速沿晶界扩展。