铝合金因质轻,比强度高,导电导热性能好,易加工等优势在航空航天,电力工业,汽车行业等各个领域一直都发挥着举足轻重的作用。虽然近年来铝合金在飞机上的应用渐渐受到钛合金和复合材料的挑战,但仍高居主体结构材料的地位。提高铝合金的高温强度,开发耐热铝合金是目前铝合金研究的一个重要方向。众所周知,添加稀土元素Sc会形成L12_A13Sc相,可有效地提高A1合金的耐热性。然而,其高成本注定了含Sc铝合金只能应用在军工领域或民用高档消费品上。寻找其他合金化元素来部分甚至全部取代Sc有着重要的技术和经济意义。围绕利用L12_A13X相强化的核心思想,目前在开发设计代Sc耐热铝合金方面主要有两种设计理念。一种是通过使预先形成的非晶态合金晶化来形成L12强化相,一种是直接通过快速凝固或粉末冶金技术在基体中析出L12强化相。据此,本文选择了含稀土元素和过渡族元素的几个有代表性的体系进行了热力学与扩散动力学方面的研究,以期为L12相强化的新型耐热铝合金的开发提供理论和实验依据。主要展开了以下工作：(1)采用CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram)方法首次对Al-Cu-Ce, Al-Cu-Zr和Al-Cu-Sc三元系的相图进行了热力学优化,建立了准确可靠的热力学描述。根据优化的热力学参数计算了Al-Cu-Ce和Al-Cu-Zr三元系中晶体相在各个成分的过冷液相中析出的初始驱动力,构建了全成分范围的驱动力面投影图。采用驱动力准则从热力学角度阐释了它们的非晶形成能力,预测了富铝角非晶形成能力比较高的成分范围。(2)采用扫描电镜/能谱(SEM/EDX), x射线衍射(XRD)以及差示扫描量热法(DSC)等检测手段,利用合金法实验研究了Al-Sc-Zr和Al-Sc-Y三元系873K等温截面、变温截面以及液相投影面。借助SQS(Special Quasirandom Structures)超胞模拟Sc-Zr二元系hcp_A3固溶体,用第一原理方法计算其混合焓,并优化了该二元相图。另外,A1-Y二元相图也重新进行了热力学优化。在上述工作基础上,将第一原理计算与CALPHAD方法相结合,首次建立了Al-Sc-Zr和Al-Sc-Y体系的热力学描述。(3)同样利用合金法,通过SEM/EDX, XRD和DSC等检测手段实验研究了Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr三元系873K等温截面、变温截面以及液相投影面。采用第一原理方法计算了Dy-Zr和Gd-Zr二元系hcp_A3固溶体的混合焓。根据该计算结果、评估的相图和文献报道的实验信息优化了这两个二元相图。另外,重新优化了Al-Dy和Al-Gd二元相图。将实验研究、第一原理计算与CALPHAD方法相结合,建立了Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr体系的热力学描述。(4)优化了A1和Zr原子在Al-Zr二元系各固溶体相fcc_Al, bcc_A2和hcp_A3中的原子移动性参数。在ZrAl3化合物相中引入很小的溶解度范围,结合平均互扩散系数的概念,模拟了Zr/Al扩散偶界面ZrAl3相的扩散生长。通过拟合ZrAl3相扩散层厚度,获得了各个温度下ZrAl3相的平均互扩散系数,并建立了平均互扩散系数与温度的关系。对于不同实验中ZrAl3相扩散快慢不同的现象进行了合理的解释。