作为新一代航空发动机材料,以Nb-Si基高温结构材料替代传统的Ni基单晶材料具有重要的应用价值。Nb-Si基高温结构材料是由bcc韧性相和Nb5Si3强化相构成的双相复合材料,具有低温韧性好、高温强度大等优良的力学性能。然而,Nb-Si基高温合金也存在高温抗氧化性差、高温抗蠕变性能低等缺点,影响其实际应用。目前,合金化方法是解决Nb-Si基高温结构材料性能不足的主要手段,通过固溶强化、析出强化、消除高温亚稳相、改善合金显微组织等,以达到Nb-Si基高温结构材料的性能要求。Nb-Si基高温结构材料的合金化元素主要包含Mo、Ti、V、Hf、Sn、Cr、Mn、Al、Ge、C和B等。本文重点针对Mo、Hf、V合金化元素与Nb、Si基础元素构成的二元及三元系,开展相平衡实验测定和热力学优化评估,进行凝固过程热力学分析。取得了如下的研究结果:首先,研究发现Nb-V二元系低温区存在的溶解度间隙。本文采用合金法、扩散偶法、差热分析法、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方法,分别对等温平衡成分、界面平衡关系、相转变温度、显微组织形貌、相分解机制(调幅分解和形核长大)等进行了综合的测定和分析,获得了能够相互印证的实验结果。在此基础上,利用CALPHAD方法,通过建立合理的热力学模型,优化评估了 Nb-V二元系的热力学数据,进而确定了 Bcc相区低温下出现溶解度间隙和调幅分解的临界温度和温度-成分区间。第二,Hf-Si二元系最新的研究结果对之前已有的实验及优化相图进行了较大的修正,有必要进行重新的优化评估。本文根据体系中各相的结构特点,建立合理的热力学模型,综合文献报道的相平衡数据(包括溶体相的溶解区间、液相线数据、相转变温度与成分等)和热化学数据(包括组元的活度、化合物的形成焓、液相的混合焓等),特别是考虑到最新的实验报道,优化评估了 Hf-Si二元系,获得了自洽合理的热力学数据,热力学计算能够很好地再现文献报道的实验结果。第三,针对合金元素V和Hf分别与基础元素Nb-Si和Mo-Si构成的Nb-Si-V和Mo-Si-Hf三元系,为了获得足够的相平衡信息,以便进行热力学参数的优化评估,本文设计并进行了不同成分合金的液固转变及相平衡实验。通过对合金凝固路径的合理分析,确定了 Nb-Si-Hf与Mo-Si-Hf三元系的液相面投影图,包括初晶区的成分范围、两个初晶面相交的单变量反应线及三个初晶面相交的零变量反应成分。然后,对Nb-Si-V和Mo-Si-Hf三元系不同成分的合金试样在1300℃进行了长达20～40天的等温退火处理,对淬火后试样的平衡组织、相组成及相成分进行测定与分析,构建各三元系1300℃的等温截面图,明确了其上的相平衡关系,特别是对于各三相区的三相平衡成分给出了电子探针微区成分测试结果,为后续的热力学优化评估提供了必要的实验数据。第四,根据本文实验测定的Nb-Si-V三元系的液相面投影图和1300℃等温截面图,本文优化评估了该三元系的热力学数据。采用本文获得的热力学数据,相平衡计算不仅能够很好地再现实验测定的液相面投影图和等温截面图,而且能够模拟不同成分三元合金的凝固过程,并预测不同温度下的等温截面图,呈现Nb-Si-V三元系完整的温度-成分空间中的相平衡关系。在此基础上,本文构筑了与液相相关的等温反应序列图。最后,考虑到本文对Nb-V二元系低温下存在的固态溶解度间隙进行了细致的研究,本文又尝试对液相的溶解度间隙进行实验测定方法方面的研究。本文选定了具有亚稳态液相溶解度间隙的Fe-Cu二元系和具有稳定态液相溶解度间隙的Fe-Sn二元系分别进行研究。一方面,采用纳米粉末冶金方法制备显微组织和成分相对均匀的Fe-Cu二元合金样品,运用差热分析方法,将不同冷却速率下测量的相转变数据线性外推至假设的0℃/min,获得Fe-Cu合金过冷液相的分解温度,从而确定了 Fe-Cu二元系亚稳态溶解度间隙。另一方面,采用等温处理合金样品法获得上下分层的富Sn液相和富Fe液相,快速淬火后,对上下凝固层进行成分分析,测定Fe-Sn二元系在等温处理温度下的液相溶解度间隙。在实验研究的基础上,本文对Fe-Cu和Fe-Sn两个二元系的热力学参数重新进行了优化评估,分别获得了自洽的热力学参数。本文的研究结果,可用于丰富多元Nb-Si基体系热力学数据库,对Nb-Si基高温合金材料的成分优化和工艺控制等具有重要的参考作用