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TiAl基金属间化合物由于其低的密度、高的比强度和比刚度以及良好的抗氧化性能，使其在航空航天、汽车工业以及核能等领域有着广泛的应用前景。Nb元素的添加是提高TiAl基金属间化合物综合力学性能和使用温度的有效途径，使得高Nb-TiAl合金成为本领域近年来的热点方向之一。但迄今为止，脆性问题仍然是TiAl基金属间化合物作为高温结构材料应用的最大障碍。除了由于TiAl基金属间化合物本身晶体结构的对称性低、滑移系少等引起的本征脆性外，其与周围环境相互作用而导致其塑性和韧性降低的环境脆性对TiAl合金同样存在较大的影响。首先，TiAl作为新型高温结构材料在服役过程以及原料、制备及加工过程中不可避免会与氧、碳、氮等元素接触，因此有必要探讨氧、碳、氮等元素对其显微组织的作用机制。其次，TiAl的服役环境所引起的脆性问题同样对其性能的影响比较突出。同时，随着新型核能技术对轻质高温结构材料的迫切需求，针对核能领域中子辐照等苛刻环境对结构材料性能的要求，TiAl的辐照损伤及组织演化受到了越来越多的关注。基于上述问题，本文以高Nb-TiAl合金为研究对象，系统地研究氧、碳、氮等元素对高Nb-TiAl合金凝固行为及固态相变的影响。在此基础上对高Nb-TiAl合金在环境介质中的脆性断裂机理以及氦致环境脆性行为进行研究。本文的主要研究内容及结果如下： 采用真空非自耗电弧熔炼炉制备了不同O/C/N含量的Ti-46Al-8Nb合金，研究了氧、碳和氮元素对高Nb-TiAl合金的作用规律。结果表明三种元素均为α稳定元素。其中氧元素为最强烈的α稳定元素，使得合金由最初的β凝固转变为α凝固。氮元素使得合金产生α凝固和β凝固的竞争形核方式。碳元素可以使得合金的凝固路径由β凝固转变为包晶凝固。就固溶度而言，三种元素在α2相的固溶度均高于γ相。其中氧在α2相中的固溶度最大，氮和碳的过量添加会形成析出相。同时，氧和氮可以显著提高高Nb-TiAl合金的共析反应温度。 通过PAM熔炼的Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)合金具有细小均匀的片层团结构，同时在合金中分布着残余的β相、硼化物和Y2O3。合金在应变速率为7.0×10-4s-1时的断裂强度为712MPa，在循环基数N0=107周次下存活率为50%的条件疲劳极限为309.6MPa。断口分析表明，合金的断裂模式是以穿晶断裂为主，沿晶为辅的解理断裂。合金的断裂是由硼化物/基体以及β相/基体之间变形不协调导致的裂纹萌生而引起。高温下合金的压缩强度随着温度的升高而降低，随变形速率的增加而增加。 将Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)的铸态合金以及热处理得到的近片层和全片层合金分别在水汽和空气环境下进行力学性能测试。结果表明铸态以及热处理得到的近片层和全片层合金的三种显微组织均会受到环境介质的影响。其中热处理后的近片层组织具有最好的环境脆性抗力，热处理后的全片层组织对环境最为敏感，环境脆性现象最为显著。铸态合金对环境的敏感程度介于二者之间。水汽诱导的环境脆性对γ相的形貌非常敏感，片层团界处γ相的存在可以显著抑制合金水汽诱导的环境脆性过程。 分别在氧气、真空、空气和氢气四种环境气氛介质中对Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)合金的铸态以及热处理得到的近片层和全片层三种显微组织进行力学性能测试。发现三种组织均会受到氢气诱发的氢致环境脆性的影响。其中热处理后的近片层组织具有最好的环境脆性抗力，铸态合金的氢致环境脆性现象最为显著，热处理后的全片层组织对环境的敏感程度介于二者之间。同时发现，γ相可以抑制合金的氢致环境脆性过程，而β相对于氢气诱导的氢致环境脆性具有促进作用。 对Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)的铸态合金和热处理后全片层合金通过氦离子注入的方式模拟其辐照后的组织演化。结果表明，铸态合金和全片层合金经室温离子注入后均在合金表面形成一层非晶层，同时合金的粗糙度均有显著提高。在高温下离子注入后，铸态合金中出现了显著的起泡现象。同时，在铸态合金和全片层合金中均发现了氦泡的存在，且氦泡在合金中α2相中的尺寸大于其在γ相中，但氦泡密度规律相反。纳米压痕结果表明相比与铸态合金的近片层组织，热处理后的全片层组织具有更好的辐照抗力。同时发现γ相对于离子注入最为敏感，β相对离子注入敏感度最低，α2相敏感度介于二者之间。