现代工业的发展对镍基合金不断提出新的性能要求,如(1)第1V代反应堆要求镍基合金克服抗辐射性差的弱点,(2)镍基合金作为反应堆钴基高抗磨合金的替代材料必需提升其抗磨性和无钝化表面的耐蚀性,(3)高温应用的发展迫使镍基合金的高温强度需进一步提升。当高温应用的发展超出镍基合金的耐热极限,镍铝金属间化合物有望接替镍基合金承受更高温度的冲击。本论文基于上述材料发展的迫切需求,针对镍基合金的性能不足及镍铝金属间化合物的固有缺陷,采用第一性原理计算方法对两种合金的结构和性能的合金化效应进行系统研究,探索其微结构形成规律和性能关系,为设计/获得高性能合金提供理论基础。主要内容包括空位扩散、位错运动、平面缺陷(反相畴界和层错)和电极势等方面。首先,通过超晶胞的方法以及建立不同的模型结构,基于一系列能量学计算得到镍基合金γ相中的空位形成能和迁移能障、内禀层错能、表面原子的电极势等,研究发现(1)随着空位浓度增大,原子空位扩散能障降低,空位扩散的频率增大,从而导致原子扩散速率增大。镍基合金受辐射后γ相中大量过饱和空位的产生增强了其原子空位扩散能力,因而导致靠低温抑制原子扩散来稳定组织结构的措施失效,过饱和固溶状态的γ,相在形核和长大动力的驱动下析出或粗化沉淀相,造成镍基合金性能劣化。空位形成能和迁移能障是辐射空位浓度增大-扩散激活-沉淀相析出/粗化-性能劣化机制的关键参量。计算结果表明合金元素Os、Re、W、Ir、Au、Hf、Pt、Ta能够提高空位迁移能障,其中Os、Re、W、Ir还能提高空位形成能,而Au、Hf、Pt、Ta能降低空位形成能。5d过渡元素从Hf开始,随着d电子的增多空位形成能逐渐增大,到Re时达到最大值,然后逐渐减小。空位迁移能障的变化趋势正好与上述结果相反。电子结构分析表明,其变化规律与合金元素和宿主Ni原子的成键强弱有关。此项研究表明合金元素的合理选择能有效降低镍基合金受辐射后的空位浓度,提高空位迁移能障,降低原子的空位扩散,改善抗辐射性能。(2)合金元素Re能显著降低镍基合金γ相的层错能,W、Hf、Os、 Ta、Ir、Pt的作用依次减弱,电子结构分析表明合金元素对层错能的影响情况决定于合金元素与镍原子的成键强度,成键越强,层错能下降越大。合金元素的合理选择能有效降低镍基合金基体的层错能,抑制表层胞状结构的产生,提高抗磨性。(3)Cr、Hf、 Ta、W、Re、Os能增强合金表面Ni原子的电化学稳定性,而Sc、Ti、V、Mn、Fe、 Co、Cu、Zn、Ir、Pt、Au对合金表面Ni原子的电化学稳定性有不同程度的降低作用。合金表面吸附水分子后表面Ni原子的稳定性下降,而且水分子与表面成键越强,稳定性下降越显著。此研究表明合金元素的合理选择能有效提高合金表面Ni原子的电极势,增强表面电化学稳定性,提高无钝化表面的抗蚀性,防止腐蚀磨损。上述三方面(空位形成与扩散,层错能和表面电极势)的研究成果对抗辐射镍基合金和高钴耐磨合金替代材料的研制具有一定的理论指导价值。其次,本论文计算了γ’相(Ll2-Ni3Al)的<110>和<100>反相畴界能,发现所有5d过渡金属元素(Hf-Au)均能提高γ’相的<110>和<100>反相畴界能。纯Ni3Al的反相畴界能各向异性比满足交滑移条件,而5d合金元素掺杂不利于γ’相交滑移的发生。文中提出一种计算多成分合金性能的方法,使模型计算更具实用价值,采用该方法的计算发现,5d合金元素在滑移面上的含量小于临界值时,相应合金才会出现屈服强度异常。上述研究结果能为镍基合金高温强度的提升提供理论指导。最后,本论文计算了NiAl金属间化合物的<111>反相畴界能、Peierls应力、不稳定堆垛层错能、塑性判据、解理能等。研究发现Cr合金化有利于激活NiAl<111>位错,但是Cr对<111>方向变形性质的改善非常微弱,稍有偏差就会失去塑性化作用,由此澄清Cr的真实作用,解释了不同实验结果的矛盾。研究还发现合金元素Au、Fe、Mn比Cr更有利于NiAl<111>位错的激活。另外,鉴于Pt、Re、Os、Ir、Co元素占据Al位以及Ni在A1位的反位比Cr更有利于NiAl<111>位错的激活,文中提出了一种新的改善多晶NiAl塑性的思路。上述研究成果可指导多晶NiAl塑性改善的实验研究。