镍基单晶高温合金以其优异的高温性能以及组织稳定性,被广泛用做先进航空发动机涡轮叶片的首选材料,其研发与制造水平是衡量国民经济发展和国防安全的国家核心竞争力的重要体现。我国长期依靠经验积累和循环试错的研发模式,往往导致周期较长且成本较高,近年来提出的“材料基因组计划”,基于对大量材料样品进行不同尺度下多种参数的高通量表征,建立材料数据库,不仅能够为材料性能与结构数据库提供数字化数据,而且还能够验证所用理论与模型的正确性,缩短新材料研发周期。因此,研究新型单晶高温合金的组织结构定量表征方法以及成分、组织结构、性能相关关系,不仅能够为工艺和应用研究奠定基础,还可以为建立丰富的材料数据库提供数据支撑。本文采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、纳米压痕仪以及持久试验机等设备,通过定量金相表征技术表征γ′相、γ基体、碳化物以及(γ+γ′)共晶的组织参数,结合材料成分分布以及宏、微观力学性能,研究了热处理、W元素对单晶高温合金成分、组织及性能演变规律的影响,并初步建立了单晶高温合金枝晶的三维重构方法,结果表明:1)热处理有效降低了合金的枝晶偏析,对Hf、Ta、W元素影响最大,偏析程度分别降低了167%、28.1%、、12.9%。在γ和γ′相中,Al、Cr、Co、W元素的平均偏析比分别降低了26.12%、16.18%、9.08%、20.91%。而Ta和Re元素的平均偏析比分别增大了21.18%、45.98%。热处理之后,葵花状和光板状的(γ+γ′)共晶组织基本消失;棒状和块状的碳化物分解为小块状或颗粒状,碳化物的含量由0.2%降到0.1%以下;γ′相粒子形貌因子接近√2,平均尺寸约为0.4μm,粒子立方度以及均匀性增加,体积分数接近60%;合金的弹性模量值接近230 GPa,硬度值约为4.5 GPa,热处理对纳米压痕性能没有影响。2)W含量的增加导致铸态合金枝晶干与枝晶间元素偏析程度加剧,以W元素最明显,偏析程度增大了41.2%,热处理后合金元素扩散更加均匀,其中对Re、W影响最大,分别降低10.7%和11.1%;铸态组织中Re和Al向γ相偏析程度分别增加了25%、60%,而Co、Cr元素向γ′相偏析程度增加了约20%,W元素分配比基本保持不变;经过热处理后,Re、Al和Co向γ相偏析状况基本保持不变,W元素在γ相中的偏析增大了85%。随着W含量的增加,合金的一次枝晶间距减少17.68μm,(γ+γ′)共晶组织含量增大1.5倍,热处理后仍有少量光板状(γ+γ′)共晶,W含量的增加对碳化物的形貌以及含量影响较小,对γ通道宽度几乎没有影响;γ′相体积分数提高10%,γ′相粒子的尺寸(0.44μm)、均匀性以及立方度均有所增加,W元素对微区纳米压痕性能影响较小。3)持久实验后,两种合金的组织均发生筏化,W含量高的合金筏形化完整程度更接近1,且拓扑反转系数大于1,γ′相取代γ相成为连续相,W元素促进了合金筏排化进程。析出的TCP相含量约1%,且以颗粒状居多,对合金性能影响较小,位错攀移机制导致的蠕变速率降低以及W元素的引起的固溶强化,使W含量高的合金在1037°C、173 MPa/200 MPa/220 MPa条件下具有良好的持久性能,在220MPa条件下仍具有63.33h的持久寿命,但合金的延伸率与断面收缩率均有所减小。4)利用连续切片技术重构出两种W含量不同的合金枝晶的三维形貌,阐述了连续切片的详细步骤以及实验参数,同时对后期图像处理及三维重构进行了说明。