涡轮叶片,是航空发动机中承载应力复杂、且循环服役在大温度范围区间的关键热端零部件。镍基高温合金具备优异的高温综合力学性能,是制作涡轮叶片的首选材料。随着航空事业的不断发展,涡轮叶片的服役极限温度及载荷复杂程度不断提高,定向凝固技术在制造镍基高温合金涡轮叶片领域的应用,成为目前涡轮叶片开发研究的关键。本文针对生产Hf含量较高的DZ22-X合金定向涡轮叶片时,极易出现的表面粘砂和微观组织缺陷两个问题,以使用高纯度电熔白刚玉（α-Al₂O₃≥99.74 wt.%）耐火材料制作的陶瓷模壳、利用快速凝固法（HRS）制备的DZ22-X合金定向凝固试棒作为研究对象,重点研究了定向凝固DZ22-X合金铸件表面粘砂缺陷的分布趋势,测定了合金/模壳间界面反应产物种类,观测分析了关键定向凝固工艺参数对合金/模壳间界面反应的抑制减弱作用,并分析了不同种类合金/模壳间界面反应的反应机理。此外,还观测讨论了关键定向凝固工艺参数对铸态微观组织的影响。研究结果如下:高纯Al₂O₃陶瓷模壳制备DZ22-X合金定向试棒表面粘砂缺陷沿定向凝固方向呈特征区域分布:试棒底部位置表面平滑且具有金属光泽,无粘砂缺陷;试棒的中间位置包覆着白色凸起粘砂缺陷;试棒的顶部位置在白色粘砂缺陷基础上又出现了不同程度粉红色新粘砂物质。通过SEM-EDS,XRD及XPS测定了试棒表面粘砂缺陷分为界面反应层及粘砂层,试棒中部与顶部特征区域界面反应层主要构成物质为合金/模壳间界面反应产物,分别是白色的HfO₂与粉红色的Al_1.98Cr_0.02O₃;粘砂层物质构成主要是试棒从陶瓷模壳剥离下来Al₂O₃。试验发现,降低模壳保温温度及提高抽拉速率,能够有效抑制和减弱粘砂缺陷形成。利用物质吉布斯自由能函数法进行界面化学反应热力学分析,生成HfO₂的主导反应为合金熔体中的Hf元素与陶瓷模壳中的Al₂O₃发生置换反应。Al_1.98Cr_0.02O₃为Cr₂O₃与陶瓷模壳中的Al₂O₃形成的无限固溶体,生成Cr₂O₃的主导反应为合金熔体中的Cr元素分别与CO及SiO气体发生氧化还原反应,而CO及SiO气体的生成主要与合金熔体中的C元素与陶瓷模壳中的SiO₂与Al₂O₃发生高温化学反应相关,CO及SiO气体上浮富集在模壳顶部,导致粉红色的Al_1.98Cr_0.02O₃出现在试棒顶部。定向凝固DZ22-X合金铸件微观组织受定向凝固工艺参数影响。降低模壳保温温度时,枝晶组织粗化,一次枝晶间距增大,二次枝晶间距无明显变化,γ’相尺寸变大、立方度下降,γ/γ’共晶组织含量增多。模壳保温温度过低时,会出现典型的定向凝固微观组织缺失。提高抽拉速率时,枝晶组织得到细化,一次、二次枝晶间距都有所降低,γ’相尺寸变小、立方度提高,γ/γ’共晶组织含量呈现先降低后增高的趋势。试验条件下,采用模壳保温温度1510℃/抽拉速率5 mm·min^-1的工艺参数组合时,定向试棒表面无粘砂缺陷长度达113.68 mm,满足一般航空发动机定向涡轮叶片长度需求,且定向微观结构及相组成良好,保证了定向铸件的综合力学性能。