随着我国航空发动机技术的发展,急需承温能力更高、组织稳定性更好的镍基单晶高温合金投入批量生产和服役。从二代单晶高温合金开始,通过添加稀贵金属Re,提高合金的高温综合性能。然而Re元素的加入导致单晶合金成本剧增,严重制约了合金的应用,因此研究微量调整Re元素对单晶合金组织和性能的影响规律和机制显得尤为重要。本研究针对目前应用前景广阔的二代镍基单晶高温合金,利用热力学模拟计算微量调整Re含量,并结合实验研究微量调整Re含量对合金组织及力学性能的影响规律。通过OM、SEM、DSC、EDS、EPMA等表征手段,研究微量调整Re元素含量对单晶合金铸态及各级热处理状态下合金微观组织、析出相行为以及元素偏析的影响。通过870℃高温拉伸性能和1093℃/158MPa高温持久性能测试,研究微量调整Re元素含量对单晶合金高温力学性能的影响。热力学平衡计算以及DSC分析结果表明,Re含量的增加提高了γ’相的含量,降低了合金固相线温度,提高了合金的液相线温度,扩大了糊状区温度区间。三种Re含量单晶合金铸态组织均呈典型枝晶特征,合金的枝晶间分布有葵花状γ+γ’共晶组织和块状、骨架状的MC型碳化物。由于糊状区温度区间增大,导致铸态合金中一次枝晶间距增大,二次枝晶臂长度增加,并促进了三次枝晶臂的生长。由于Re的扩散系数较低,抑制了其他元素的扩散,导致γ’相尺寸减小;同时使Re、W、Co和Mo元素在枝晶干的偏析程度增大,亦使Al和Ta元素在枝晶间的偏析程度增大,导致枝晶间共晶数量增加、尺寸增大。Re增加了 γ/γ’两相的错配度,使γ’相立方化程度增加、体积分数增大。Re微量调整对单晶高温合金870℃高温拉伸性能影响不大,而对1093℃/158MPa下的持久性能影响较大。随Re含量的增加,合金的抗拉强度从990 MPa提高到1040 MPa、屈服强度从817 MPa提高到845 MPa,断裂延伸率减小,断口呈滑移面断裂与韧窝断裂共同存在的混合型断裂模式;由于Re元素扩散系数低、固溶强化效果显著,可为合金提供更好的组织稳定性,从而使合金的持久断裂寿命由35.2 h增加到49.3 h,增幅达40.0%;而由于合金拓扑倒置现象,使其塑性在3.42%Re时明显减小。微量调整Re含量的三种合金,综合力学性能均可达到单晶涡轮叶片的设计要求,可分别满足不同成本、性能的设计目标。