K416B合金是一种典型的低Cr高W镍基高温合金,主要应用于高压涡轮叶片的制造,具有强度高、成本低、抗氧化腐蚀性能优异等优势。前期研究表明,该合金虽然性能优异,但铸件内部易出现大尺寸初生相,关键性能合格率较低,这直接限制了该合金的应用和发展。因此对合金组织演变的进一步研究以及成分的合理调整十分必要。为了深入理解K416B凝固过程组织演变,提升合金关键性能稳定性,本文研究了 K416B合金的凝固行为,并深入研究了凝固组织对合金性能的影响,此外还研究了微量元素硼对K416B合金组织性能的影响。为K416B组织优化与成分优化提供了依据。本文研究了 K416B合金凝固过程中的相转化和元素偏析行为。通过DTA实验、平衡和Scheil模块下的Thermo-calc模拟以及等温凝固实验确定了合金的凝固路径为:L→L+γ（1371℃）;L→L+M6C（1370℃）;L→L+γ+MC（1332℃）;L→L+共晶（γ+γ’）（1286℃）;L→MC（高Hf）（1147℃）。通过EPMA实验发现初生γ生长过程中,W和Co在固相中富集,而Cr、Al、Ti、Nb和Hf在残余液相中富集。残余液相中积聚的正偏析元素Nb和Hf导致MC碳化物的形成,MC碳化物在枝晶间析出破坏了残余液相网络,使残余液相彼此孤立。凝固过程中Al元素在液相中的严重偏析会导致共晶γ+γ’的形成,但K416B合金中的共晶γ+γ’不稳定,在凝固过程中共晶γ+γ’相内部发生γ相重溶和γ’相粗化,最终转化为共晶γ’相。本文研究了铸件壁厚对K416B合金组织性能的影响。通过共享相同“铸模环境”的样品模组生产了一个具有梯度壁厚的铸件以模拟涡轮叶片不同厚度位置的凝固情况,而后对比了不同厚度样品组织与力学性能的差异。结果表明,较大的铸件厚度导致较低的凝固速率和更大的元素显微偏析。铸件厚度H与二次枝晶间距λ2之间满足指数关系。单个共晶γ’和MC碳化物平均面积与铸件厚度成线性关系,二者凝固过程中的生长受限于合金的二次枝晶间距的大小。合金的晶粒尺寸随着铸件厚度的增加而逐渐增大,但在样品壁厚为40 mm试样底部和壁厚为20mm试样顶部观察到异常细晶粒。在这些区域可以观察到大尺寸的α-W相,其促进晶粒形核作用是导致晶粒细化的原因。不同厚度样品的室温拉伸性能表明,薄样品的室温拉伸性能明显高于厚样品,合金的拉伸性能主要由枝晶干强化相尺寸决定,薄样品内强化相尺寸细小,变形机制为位错切割γ’相,而厚样品内强化相尺寸增大,变形机制转化为Orowan绕过机制。975℃/235MPa持久试验结果表明,3-20 mm厚样品持久性能没有明显变化,但40 mm厚样品内由于硬质相的负面作用,持久性能下降。研究了微量元素硼对K416B合金组织性能的影响。通过真空感应熔炼炉制备了硼含量分别为 0 wt.%、0.01 wt.%、0.02 wt.%以及 0.04 wt.%的 K416B 合金,研究了硼元素对合金凝固行为的影响,发现硼元素显著降低了合金的共晶形成温度,但对合金的凝固温度范围影响不大。硼元素促进了合金凝固后期共晶γ+γ’相以及共晶周围M3B2硼化物的形成。研究了不同硼元素样品在975℃短期时效过程中晶界析出相析出行为,发现硼元素能够抑制晶界M6C碳化物的早期形核,减小晶界M6C碳化物的尺寸。添加硼略微提升了合金室温拉伸实验中的屈服强度和抗拉强度,显著提升合金高温拉伸塑性。975℃/235 MPa持久条件下,K416B合金的持久寿命随着硼元素的加入先增大后减小,最优添加量为0.02 wt.%。随着硼元素的增多,晶界强度提升,合金断面枝晶状形貌所占比例逐渐减少,合金穿晶断裂痕迹更加明显,但过多的硼元素添加导致大量共晶γ+γ’和M3B2相形成,对合金的持久性能不利。通过制备具有固定取向的双晶样品,研究了持久变形过程中双晶样品的枝晶间和枝晶干以及晶界位置的局域应变特征。持久变形过程中,枝晶间优先以形成剪切带的方式变形,剪切带位置与合金{111}面滑移迹线重合,剪切带内部存在较高的应变,剪切带边缘位置出现高位错累积。对比含硼与不含硼双晶样品持久变形行为发现,硼元素会增加合金的稳态蠕变速率,但是抑制了晶界处持久损伤的产生,延长了合金的蠕变第二阶段。通过持久中断实验发现,相同持久时间条件下,含硼样品晶界位置应变更小,说明硼的添加促进了晶界位置的位错传输。