金属锆及其合金具有独特的物理化学性质,在多个领域具有广泛的应用。目前研究较为成熟的锆合金体系为Zr-Sn系和Zr-Nb系,而对Zr-Al系的研究相对较少。因此,采用理论计算的方法对Zr-Al系开展系统而深入的研究,既可以为相应的实验结果提供理论支撑,也可以为后续材料的研发和设计奠定理论基础。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,围绕Zr-Al合金体系开展了有关原子扩散、两相界面及广义堆垛层错能的相关研究。具体内容如下:分析了Zr₃Al中Zr原子和Al原子可能的迁移路径,计算了各迁移路径的迁移能垒,从扩散激活能的角度确定了Zr₃Al中Zr原子和Al原子最可行的扩散机制分别是:由V_Zr诱导的最近邻扩散机制和反位协助机制;探究了Hf、Nb、Sc和Ti四种溶质原子对Zr₃Al自扩散机制的影响,发现影响Zr₃Al自扩散的关键在于溶质原子的半径大小。计算了位于纯Al/Al₃Zr界面和被Nb、Ti、Cu和Sc合金化的界面处由V_Al介导的Al原子和Zr原子扩散的迁移能垒,发现由于合金元素的引入,界面处的原子扩散受到明显抑制,使得Al₃Zr的相变过程难以进行;综合考虑了空位和合金元素对Al/Al₃Zr界面结合强度的协同作用,发现无论结构中是否含有空位,Nb的合金化效果均为最佳,而Cu的合金化效果相对欠佳,电子局域函数表明,这是由于不同合金元素对于其附近Al原子的电子局域化程度的改变不同所造成的。计算并绘制了Zr元素引入前后Al-X（X=Sc,Ti,V,Nb,Mo,Hf,Ta,W）的广义堆垛层错能曲线,发现Zr元素的引入不仅明显降低了各体系的内禀层错能,还使得各体系在溶质含量为0.1%-0.2%的浓度区间时,层错能达到理论极限值,同时材料在较大的温度范围能够保持良好的层错能稳定性;此外,Zr元素的引入对Al-Sc和Al-Hf系的孪生倾向影响最大,理论上明显提升了材料的塑性变形能力。