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目前,TiAl基合金作为一种先进高温结构材料已初步应用于航空发动机和汽车耐热部件的制造,但室温脆性、相对较低的强度以及成形性能差等缺点限制了其大规模工业化应用。因此,进一步实现TiAl基合金的强韧化具有重要意义。然而,现有强韧化方法（例如热加工和PST单晶制备）存在成本高和技术成熟度低等问题,难以满足实际生产的需要。研究发现,快冷非平衡凝固TiAl基合金经热处理会获得纳米片层组织,这有利于实现TiAl基合金强韧化,但目前并没有对这一结果进行拓展研究。同时,鉴于铸造与热处理工艺的低成本和易实施性,本文提出了一种TiAl基合金非平衡凝固与热处理相结合的强韧化方法,并对其所涉及的组织演变规律和热处理纳米强韧化机制进行了基础研究。本文针对TiAl基合金非平衡凝固结合热处理强韧化方法中两种具有代表性的情况（快速凝固/常规非平衡凝固+热处理）进行了研究。首先,采用电磁冷坩埚分别对包晶凝固Ti-48Al-2Cr-2Nb和β凝固Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金进行了熔体淬火和连续铸造,然后对所制备试样进行了热处理实验。主要研究了快淬和冷坩埚连铸TiAl基合金凝固组织、凝固组织在热处理过程中的演变、力学性能以及变形纳米孪晶的形成和强韧化机制,从而揭示了非平衡凝固和热处理相结合方法的强韧化机制。通过采用将Ti-48Al-2Cr-2Nb合金熔体淬火于Ga-In液中的方法制备出了一种非常细小和均匀的快速胞晶组织,这种胞晶组织主要由α2相组成,其生长长度和胞晶间距分别为358460μm和0.683.6μm。快速胞晶组织的形成源自Ga-In合金液对合金熔滴最外层极快速的冷却作用,其生长行为主要受传热过程的影响。快速胞晶在生长过程中的冷却速率变化范围为2.61×1061.26×105 K/s,相应的生长速率范围为1638 mm/s。Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb母合金的微观组织主要包括由块状γ和B2相组成的耦合组织和B2/γ片层组织,该合金的平衡凝固路径为:L→L+β→β→β+α→α→α+γ→B2+α+γ→B2+α2+γ。连铸Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金的宏观晶粒尺寸随着抽拉速率的增加先减小后增大,并在抽拉速率为1.5 mm/min时达到最小值。连铸合金主要由γ、B2和α2三相组成,其微观组织主要由片层组织基体和分布其中的长条状耦合组织组成;随着抽拉速率的增加,片层区域宽度先减小后增加,并在抽拉速率为1.5 mm/min时达到最小值。随着抽拉速率的增加,连铸合金的B2相含量先减少后增加,在抽拉速率为1.2 mm/min时达到最小值,而B2相的含量主要取决于其中Cr含量,并随着Cr含量的增加而减少。快速胞晶组织为处于高能量状态的亚稳组织,在6941180℃加热过程中的组织演变规律为:在694℃时转变为具有α2/γ纳米片层亚结构的胞晶组织;在900℃时,快速胞晶组织几乎全部转变为γ相,并开始以再结晶的方式转变为等轴晶组织;当温度升高至976℃时,在γ相等轴晶间和晶内开始析出α2相;当在1000℃保温30 min后,快速胞晶组织完全分解为近γ等轴晶组织。Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金（α+γ）两相区的温度范围为11971275℃,其连铸非平衡凝固合金（抽拉速率为1.5 mm/min）在1250℃经不同时间保温后所制备的热处理合金,仍主要由γ、B2和α2三相组成,但耦合组织明显减少,且B2/γ片层组织几乎全部转变为α2/γ片层组织;热处理合金由“原始晶粒”和重结晶晶粒组成,随着保温时间的增加,“原始晶粒”中的耦合组织呈先减少后增加的趋势,并在保温时间为2h时达到最少。连铸非平衡凝固合金因相对较快的冷却速率和大的相变应力产生了大量高密度位错等亚结构,在1250℃保温2h后,高密度位错分解为大量肖克利不全位错和层错;热处理合金的片层间距随着保温时间的增加先减小后增大,并在保温时间为2h达到平均最小值（77.38 nm）。快速胞晶组织的纳米硬度平均值为8.457 GPa,比一般的组织形态提高了1560%,并且其纳米硬度与胞晶间距之间存在Hall-Petch关系。快速胞晶热处理组织的纳米硬度随着热处理温度的升高先减小后增加,在700℃热处理之后获得了最大的纳米硬度（平均值为8.697 GPa）。快速胞晶经700℃热处理后所获得的具有纳米片层亚结构的胞晶组织能进一步提高快速胞晶组织的强韧性,因此能够有效实现TiAl基合金的强韧化。连铸Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金的抗拉强度随着抽拉速率的增加先增大后减小,并在抽拉速率为1.5 mm/min时达到最大值（380.34 MPa）;热处理合金的抗拉强度随保温时间的增加先增大后减小,然后又增大,并在保温时间为2h时达到最大值（450.76 MPa）;采用连铸非平衡凝固和热处理相结合的方法可以使母合金的室温抗拉强度和伸长率分别最大提高69.28%和230.77%。通过对Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb母合金、连铸非平衡凝固合金和热处理合金的拉伸断裂行为及变形行为进行系统的研究,以及对变形孪晶的形核过程进行热力学分析,揭示了连铸非平衡凝固和热处理相结合方法的强韧化机制,即均匀细小的宏/微观组织结构大幅减小了TiAl基合金在变形过程中的应力集中,使合金初步强韧化;热处理合金中产生的大量肖克利不全位错和层错可作为变形孪晶的有效异质形核位点,使其在变形过程中形成高密度纳米孪晶,最终实现了TiAl基合金的显著强韧化。