TiAl合金作为一种理想的高温结构材料具有低密度、高弹性模量以及良好的高温强度和抗蠕变能力,然而800℃以上抗氧化性不足是限制其实际应用的重要原因之一。高Nb合金化是提高TiAl合金抗氧化性最有效的途径之一。高Nb-TiAl合金抗氧化性能的大量实验研究提供了丰富的实验现象和数据,但对TiAl合金抗氧化性的基础理论性工作,例如O元素在TiAl合金中的扩散路径、Nb等合金元素对合金基体中O扩散及表面氧化物形成机理的研究都比较少。另一方面,耐磨性对于航空航天发动机热端零件也非常重要,TiAl表面的耐磨性不足已成为日益突出的问题。而针对TiAl合金耐磨性的研究工作不管从实验还是理论计算方面还比较欠缺。本论文工作的基本思路就是通过第一性原理计算,对TiAl合金中O元素的扩散进行研究,搞清楚O在TiAl合金中的扩散机制,并研究合金元素抗氧化的作用机制,并与已有实验数据进行对比。另一方面,通过实验对TiAl合金摩擦磨损性能进行研究,分析Nb对TiAl合金基体耐磨性的影响机制,同时利用第一性原理计算的方法对其力学性能进行分析。得到如下结论:(1)利用第一性原理计算及德拜模型,分别对Nb、Y、Sc、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W等10种元素占Ti位和占A1位的形成焓和反应生成能进行计算。结果表明在0K时,Nb、Y、Sc、Zr、Hf、Ta、Mo、W这8种元素倾向于占据Ti位,而Cr、V两种元素占Ti位和占A1位时的反应生成能比较接近,因此可能同时占据Ti位和A1位。随温度越高,Nb元素占Ti位和占A1位的反应生成能的差异越小。在600-800℃温度区间,Nb占据Ti位时的反应生成能比占据A1位时的反应生成能低,总体上Nb仍倾向于占据Ti位。(2)基于第一性原理计算,使用爬坡弹性带方法(CINEB)研究O在γ-TiAl和α2-Ti3Al相中的扩散路径和对应的扩散势垒,计算了不同Nb含量的合金中O原子的扩散迁移势垒的差异。计算结果表明,Nb添加对提高TiAl合金中O的扩散势垒具有显著效果,且随Nb含量提高,阻碍O原子在合金中扩散的能力提高。对O的扩散系数随温度变化的趋势研究进一步证实了Nb含量对合金中的O扩散的影响趋势,这个规律和实验结果吻合得很好。(3)对于表面氧化物的形成,研究比较了不同氧化物中金属-氧键的键力常数,计算了Nb对Al-O和Ti-O键强度的影响,并对Al2O3和TiO2的生长进行分析。合金元素Cr、Ti、Zr、Hf、Y、Nb能提高Al2O3中的A1-O键的SFC,特别是Nb、Y元素,键力常数提高了大约10eV/A2。另一方面,Nb的加入使得TiO2中的Ti-O键的键力常数减小。因此,Nb可以促进Al2O3的形成,同时抑制TiO2的形成,从而在TiAl合金表面形成致密稳定的Al2O3氧化膜,提高合金的抗氧化性。(4)合金元素Nb的加入还可提高TiAl合金的耐磨性。Nb含量越高,耐摩擦磨损性能越好。通过第一性原理计算可知,Nb添加使得合金的硬度增大,使其耐磨性得到了提高。Nb的加入不仅在TiAl合金表面倾向于形成致密牢固Al2O3氧化层,提高TiAl合金的抗氧化性,同时可在一定程度上隔断基体与摩擦副之间的直接接触,提高TiAl合金的高温耐磨性。