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高Nb-TiAl合金是发展先进高温轻质合金的典范,已经被广泛应用于航空航天以及汽车制造业。高Nb-TiAl合金既保持了普通TiAl合金密度低、刚度高、750oC下较好的抗氧化等优点,同时,Nb元素的加入提高了合金的有序化温度和熔点,进一步增强了合金的抗氧化性、抗蠕变性。本文采用非自耗真空电弧冶炼技术+水冷铜坩埚的方法制备了42种TiAl基合金铸锭,每个合金铸锭都经过5次反复熔炼以及均匀化退火处理。对所得合金的显微组织、物相相关参数以及合金局域特征等三个方面进行了研究,分析了合金凝固组织特征、物相组成、晶格常数演变、局域结构以及合金的原子堆垛结构特征,为高Nb-TiAl合金的性能分析以及应用研究奠定基础。TiAl基合金中金相组织以及物相组成随着Nb元素含量的增加发生变化。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察合金显微组织,结果发现,Nb元素的加入,有利于合金组织的均匀细化,在Al含量低于35%（at.%,下同）的TiAl合金中,Nb元素的添加,可以促进板条组织细化,使得合金晶粒由大于100μm,细化到低于30μm;Al含量为35%51.5%的TiAl合金显微组织都是α2/γ片层,Nb元素的加入细化了合金中片层间距,使得片层间距可以小于1μm;在Al含量较高（53%）的TiAl合金中,有大量孪晶存在,Nb元素的加入细化了晶粒尺寸。在Al含量为35%51.5%的TiAl合金中,片层组织尺寸随Al元素的增多而增大;在显微组织形态上,Nb元素稳定了合金α2相组织,抑制了γ相的生成。通过对比TiAl合金二元相图和XRD衍射数据,发现合金物相组成也发生了变化:Nb是β相的稳定元素,Al含量为20%的合金中,10%Nb元素的加入促使合金中出现了β相。高Nb-TiAl合金中物相含量和晶格参数随着Nb元素含量的增加发生改变。本课题收集了2组不同Al含量共14种合金的X射线衍射数据,采用绝热法对合金物相含量进行计算。高Nb-TiAl合金物相定量分析结果显示:Nb含量较高的TiAl基合金中α2相含量比Nb含量较低的TiAl基合金中的多,随着TiAl合金中Nb元素含量的增加,α2相的稳定性增加,γ相转变受到抑制。用第一性原理方法计算了Nb元素含量分别为12.5%和3.125%的高Nb-TiAl合金中γ相晶格常数,计算结果表明,Nb添加量的增加,使得γ相晶格常数增加。对X射线衍射数据进行物相晶格常数的计算,结果表明:随着Nb元素含量的增加,高Nb-TiAl合金中α2相的晶格常数逐渐减小,γ相晶格常数逐渐变大。实验中对于γ相晶格常数计算结果与理论计算结果相吻合,证实了实验数据的可靠性。高Nb-TiAl合金局域结构特征分析结果表明,Nb元素的添加改变了合金的原子堆垛结构。本课题通过径向分布函数分析技术对合金堆垛结构进行计算,由原子径向分布（PDF）曲线可以得到合金各原子壳层中原子占位及配位数的变化情况。实验证明:TiAl合金中随着Nb元素含量的增加,原子结合方式发生变化,原子堆垛结构发生改变;PDF曲线第一峰降低,也就是说高Nb元素含量的加入,使得TiAl合金结构中最近邻原子数目减少,原子配位数减少;Nb元素的加入导致PDF曲线中峰形尖锐度的降低,Nb元素不利于钛铝合金原子结构的有序化。