中文摘要：

以目前极具高温合金扩大锭型之瓶颈技术的黑斑为研究对象，以申请人通过初步试验和分析提出目前在高温合金研究领域中对密度反转理论有不恰当表征方式并提出修正依据的研究结果为突破口，通过实验及数值模拟计算对多元复杂体系偏析区相反应规律进行深入系统的研究。引入去除先析出固相的剩余液相密度（称为真密度）概念，建立各种密度的计算模型，修正高温合金中的密度反转理论，同时利用研究轻元素Si和C对高Nb高温合金黑斑形成规律的影响以验证该理论模型，据此提出基于黑斑理论的轻元素控制原则。并以此修正的理论为依据，对黑斑形成的Rayleigh判据进行修正，最终结合上钢五厂正在引进安装的国内第一台15吨氦气冷却VAR炉进行工业性的验证实验。课题的完成，可以在高温合金中给出一个合理的黑斑形成判据和控制原则，为打开严重抑制高温合金扩大锭型这一瓶颈难题给出理论基础，又会为航空和地面涡轮工业带来质的飞跃。

结论摘要：

在复杂多元体系高温合金凝固时，宏观偏析的产生与糊状区稳定性和对流密切相关，通过热力学计算、扫描电镜、能谱分析、图形分析软件等手段和综合分析方法，建立并计算了表征糊状区稳定性的相对Rayleigh数，研究了几种典型高温合金GH4169、Waspaloy和GH742恒温凝固过程中及凝固参数对GH4169合金液相组织、成分、液相密度、渗透性和相对Rayleigh数的变化。通过系统研究，首次提出并建立了能够有效反应糊状区稳定性的相对Rayleigh数，并通过大量的试验数据全面的分析和讨论了冷却速率、凝固速率和过热度对相对Rayleigh数的影响规律，为此提供了一个很实用的研究凝固参数对糊状区稳定性影响的方法。同时还充分考虑和研究了多元复杂高温合金体系凝固过程中相反应对偏析和液态密度的影响规律，首次提出了相间密度概念，并建立了简单的相间密度反转的模型，补充和完善了传统的密度反转理论和重力下沉理论。基于合金元素偏析行为的系统研究，从理论上分析了残余偏析指数与均匀化温度、时间及冷速的关联性，进而建立了均匀化动力学方程，从理论上很好地预测均匀化参数，从而能够更有效地指导工业生产中合金的均匀化过程。