全面认识各种固溶元素的强化效应,是高效进行新型镍基高温合金成分设计的重要前提,但目前相关的研究还不够系统、全面、深入。本文采用基于第一性原理的高通量计算,对35种合金元素在二元镍基固溶体中的强化效应进行了系统评估;筛选出15种元素,对其两两组合在三元镍基固溶体中不同温度下的强化效应以及元素间的交互作用进行了评估;最后开发出了一个准确描述置换型固溶体晶格常数与成分间非线性依赖关系的普适模型。旨在深化对材料成分-性能关系的认识,为新型镍基高温合金的成分设计提供理论指导和数据支持。首先,基于对固溶体物性参量与溶质含量间关系的线性近似,考察了35种合金元素及其含量（0～12.5 at.%）对二元镍基固溶体晶格常数、剪切模量和稳定性等的影响,结合Labusch模型对合金元素的固溶强化能力和573 K强化极限进行了评估;并基于相关蠕变模型和扩散系数数据,对1200 K下的固溶强化效应进行了评估。结果表明,所有固溶体结构都呈现出良好塑性和机械稳定性,热力学上有20种元素倾向于与Ni形成固溶体,13种元素可能在Ni中产生偏析。合金元素的固溶强化能力与其在元素周期表中的位置相关,随周期号增大而增强,同一周期内随原子序数的增大先增强后减弱;第二、三周期元素以模量错配为强化主导因素,而第四、五周期元素以晶格错配为主导。Zn、Rh、Pd等元素在镍基体中的固溶强化能力和/或固溶度较高,具有较高固溶强化极限,有利于提高中低温区强度;而Re、Os、Ir等显著减缓扩散的元素有利于改善高温抗蠕变性能。电子结构特征分析表明,过渡族元素主要以最靠近外层的d电子与Ni的3d电子键合,形成类共价键;能够增大基体电子密度且与Ni电负性差较大的元素,可增强基体的键合,有利于提高空位扩散能垒,阻碍扩散过程。在二元基础上,选取15种有望改善高温性能的固溶元素,两两组合与Ni形成105种三元镍基固溶体。通过对典型三元固溶体固溶强化相关物性参量与有效溶质含量及溶质原子比依赖关系的分析,以等溶质原子比成分点为参考,基于线性近似提出了能够定量评估不同元素组合交互作用的参量以及一个可以通过二元和三元固溶体性质来预测多元固溶体性质的模型。采用准简谐近似方法,对有限温度下三元镍基固溶体的吉布斯自由能、体弹模量、晶格常数进行了高通量计算,并根据相应物性参量的线性回归系数和交互作用参量,定量评估了不同温度下三元镍基固溶体中固溶元素组合的强化效应和元素间交互作用。对溶解焓的分析结果表明,在高温区,Cr、Co、Rh、Ru等与Re的交互作用会降低溶解焓,有利于增大Re的固溶度;而含Os和Tc元素组合的溶解焓为负,会增大拓扑密堆相的析出倾向。对晶格常数的分析表明,含W或Ta的元素组合产生的晶格错配和错配因子相对较大,有利于提高基体在中低温区的强度;高温区,含有Ir/Pt与其它元素交互作用会显著增大晶格常数,有望降低体系的层错能。对体弹模量分析表明,在中高温区,Re-Re/Co/Tc/Mo、W-V/Ru/Co/Cr、Mo-Co/Tc等元素组合能够显著增大体系体弹模量;Ta-Hf/Tc、Co-Mo/W/Re/Rh等元素间交互作用会显著增大体系的体弹模量,有望增大空位迁移能、减缓扩散过程,从而改善基体的高温抗蠕变性;而Ir/Pt与其它元素的交互作用会造成体系体弹模量降低,对高温性能不利。综合考虑成本、密度、固溶度、热膨胀等因素,有望进一步提升镍基合金高温强度的固溶元素主要有Co、Mo和W。对固溶体物性参量与溶质含量间关系的线性近似是前两部分分析的基础,但事实上,在超过稀溶液区合金固溶体几乎所有的性质如晶格常数、模量等与成分的依赖关系都不是线性的。为此,基于虚晶近似和内应力平衡,并综合考虑形成固溶体时元素间尺寸效应和电子耦合效应,提出了一个描述置换型固溶体晶格常数与成分间非线性依赖关系的新模型。对于N元系置换固溶体,以相应单质的晶格常数、体弹模量和任意N个参考成分固溶体的晶格常数值为输入,即可对任意成分下N元固溶体的晶格常数给出准确预测。利用151组高通量计算所得数据和17组文献实验数据对该模型进行了系统验证,结果表明该模型简单、高效、普适、可靠。该模型有助于加深对材料成分-性能关系的认识。