以Ti-Al-M三元系合金为基础的钛合金材料,具有较高的比强度,无磁性,且结构和性能的调控空间大等特性,可望广泛应用于航空航天发动机、体育器材和生物医学等领域。作为Ti-Al-M三元系合金的主要组成相,Ti2AlM金属间化合物的结构稳定性和力学性能,在材料设计中至关重要,但实验上对单晶甚至单相正交结构的Ti2AlM化学计量比合金制备困难,基础数据相对缺乏,因而阻碍材料设计。本文结合材料科学基础理论,借助基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究正交相结构的Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)的晶体结构参数、电子结构、相稳定性、弹性力学性质和热力学行为,揭示高温和高压环境下的弹性响应机制,并充实了热力学数据,获得以下主要研究结论:生成焓计算结果表明,化学计量比的Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)正交相合金中,其生成焓的绝对值在同周期元素中随原子序数的增大而增大,在同族中随原子序数的增大而减小。其中,Ti2AlMo的生成焓最负,说明其原子间成键最强,结构最稳定。声子计算结果表明,所有的正交相的声子谱均无虚频产生,声子态密度无负数,表明Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W元素与Ti、Al所形成的O相的稳定性较好,这与生成焓计算得到的结论一致。电子态密度计算结果表明,Ti2AlM正交相的基态结构稳定性与其电子轨道在费米能级附近的杂化作用密切相关。Ti的d轨道电子与M的d轨道电子发生强烈的杂化作用,形成了强的共价键,这种方向性强的共价键有助于提高化合物在外界环境下的弹塑性。杂化作用使电子有效地聚集在成键轨道,形成赝能隙,亦有利于化合物处于结构稳定态。弹性计算结果表明,三元系Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)正交相满足力学稳定性。Ti2AlTa具有最高的弹性模量;B/G判据表明Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)正交相均属于本征韧性材料,特别是Ti2AlMo表现出优异的韧性;而Ti2AlHf的理论维氏硬度最大。随着温度的升高,Ti2AlM合金相的弹性常数值有不同程度的下降;研究结果表明这六种正交相对于温度的敏感性较低,在高温下仍能较好地保持其力学性能,其中Ti2AlTa的高温强度最好,Ti2AlHf金属间化合物的耐热性能最优,适合于设计和制备高温合金。高压下,Ti2AlMo的耐高压性能最好,这有利于其在高压环境下工作。热力学性质研究表明,Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)的等容和等压热容值、熵以及体积热膨胀系数等,均随着温度的升高呈现出不同的增长趋势。总之,声子谱、弹性性质以及热力学性质的综合研究结果表明:Ti2AlM(M=Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W)正交相满足动力学、力学及热力学稳定的三个特征,具有进一步研究开发价值。