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目前涡轮发动机的工作叶片材料主要是镍基合金，其最高工作温度为1100℃，而新一代航空涡轮发动机的进口温度要求为1200-1400℃，这超出了镍基合金的使用温度。与镍基合金相比，Nb-Si基合金具有高熔点，低密度（6.6-7.2g/cm3）和优异的高温强度。然而Nb-Si基合金的室温力学性能和高温力学性能的不平衡是制约该合金走向工程应用的主要障碍，克服该障碍的有效方法是合金化和定向凝固。目前，Nb-Si基合金有两大合金化体系：一、合金化元素为W，Mo和Mn的高强度体系；二、合金化元素为Ti，Cr和Al的低密度体系。已有的研究表明高强度体系的室温断裂韧性较低且密度较大，低密度体系的室温断裂韧性较高且密度较低，故本论文选择低密度体系的Nb-Si基合金做为研究对象。Nb-Si基合金的力学性能与组织有关，包括：Nb固溶体(Nbss)的体积分数，尺寸和长宽比；硅化物的种类和形态；Nbss/Nb5Si3的界面数目。然而组织可以由定向凝固工艺参数调控。本文采用电磁冷坩埚定向凝固制备Nb-Si基合金，其可控的工艺参数包括加热功率，抽拉速率和保温时间。本文通过正交试验成功地制备了一批Nb-Si基合金试样，研究了Nb-Si基合金组织与工艺参数的关系，力学性能及力学性能与组织的关系。采用Castep软件计算了合金化元素Ti，Cr，Al和Hf对Nb和α-Nb5Si3的掺杂形成能，总态密度，价电荷密度和弹性常数的影响，为Nb-Si基合金的成分设计提供依据。本文研究的Nb-Si合金材料的名义成分为定为Nb-22Ti-16Si-3Cr-3Al-2Hf (at.%)。经计算表明：Ti，Cr和Al可以固溶于Nb；Ti和Hf可以固溶于α-Nb5Si3。Ti加入Nb单胞引起费米面的总态密度升高，而Cr和Al加入Nb单胞引起费米面的总态密度降低；Ti和Hf原子加入α-Nb5Si3引起费米面总态密度的降低。Ti加入Nb单胞提高了体系的价电荷密度，而Cr和Al加入Nb单胞降低了体系的价电荷密度；Ti和Hf加入α-Nb5Si3引起价电荷的局域化程度减弱，体系价电荷密度降低。Ti掺杂Nb单胞引起体积模量，剪切模量和弹性模量的降低；Cr掺杂Nb单胞引起体积模量，剪切模量和弹性模量的增大；Al掺杂Nb单胞引起体积模量的降低，剪切模量和弹性模量的增加；Ti和Hf掺杂α-Nb5Si3单胞均引起体积模量，剪切模量和弹性模量的降低。初始生长区和凝壳是电磁冷坩埚定向凝固制备定向凝固试样中必然存在的部分，这会造成材料的浪费，然而可以通过调节工艺参数使初始生长区的长度和凝壳的厚度尽量小。综合评定初始生长区长度和凝壳层厚度的结果表明：影响因素主次为v> t> p；最优工艺参数为P=50kW，v=0.8mm/min，t=3min。工艺参数对固液界面失稳度的影响因素主次为：t> v> P。随着保温时间的增加，固液界面的失稳度逐步减小；随着抽拉速率的增加，固液界面的失稳度逐步增加；随着加热功率的增加，固液界面的失稳度逐步减小。这表明增加保温时间，减小抽拉速率和提高加热功率有利于固液界面保持为平界面。对初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距影响因素主次为：v> P> t。随着抽拉速率的增加，初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距逐步降低；随着加热功率的增加，初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距逐步增加；随着保温时间的增加，初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距先增大后减小。定向凝固试样稳态生长区组织都是由Nbss，α-Nb5Si3和少量的γ-Nb5Si3组成。熔体的温度梯度对Nbss/Nb5Si3的耦合生长有影响，主要表现为增大加热功率和减小抽拉速率有利于Nbss/Nb5Si3耦合生长。工艺参数对Nbss的面积分数的影响不大。随着抽拉速率的增大，共晶Nbss粒子平均直径(MD),平均相间距(λ)和胞状共晶平均直径(DE)逐渐减小。在不同的功率下， MD，λ和DE与抽拉速率(v)的关系分别为：MD=-4.497v+8.741(45kW)，MD=-3.515v+8.013(50kW)，MD=-3.886v+7.295(55kW)；λ=19.091v-0.485(50kW)，λ=32.150v-0.248(55kW)；DE=85.823v-0.346(50kW)，DE=66.816v-0.475(55kW)。工艺参数对合金化元素在各相中的含量和晶格常数有一定的影响。随着抽拉速率的增大，室温断裂韧性先减小后增大；随着保温时间的增加，室温断裂韧性先减小后增大；随着加热功率的增大，室温断裂韧性逐步降低。在室温断裂过程中，Nbss相的断口表现为河流花样和撕裂棱，这表明Nbss既发生了解理断裂又发生了塑性拉伸断裂。Nb5Si3表现为解理断裂。二次裂纹和适当弱化Nbss/Nb5Si3界面结合强度有利于Nb-Si基合金室温断裂韧性的提高。随着加热功率，抽拉速率和保温时间的增大，高温拉伸强度先增大后减小。工艺参数影响Nb-Si基合金的组织，其中主要包括晶界和相界，而组织确定其力学性能。室温断裂韧性和高温拉伸强度的综合评定表明最优的工艺参数为：P=50kW，v=0.4mm/min，t=6min。