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镍基高温合金由于其优异的高温抗氧化性能,成为现代国防和工业生产中的重要材料,被广泛应用于航空航天、石油化工、电力、海水作业等领域。目前,大量实验研究显示在高温条件下镍基合金表面会生成一种复杂的多层氧化膜结构,从而实现对基体合金的抗氧化保护。并且多种表征手段证实该复杂氧化膜结构中含有NiO、Cr2O3、Al2O3和多种尖晶石结构氧化物。但是,至今为止关于这种多层氧化膜结构的微观生长机理及分层过程的研究仍十分匮乏。鉴于大量已开展的实验研究,本论文将采用第一性原理研究方法,从原子层次揭示实验中镍基合金表面多层氧化膜的形成过程,并且对该结构的力学性能等方面进行综合分析。首先,我们通过分析原子结构和结合性能,对不同Ni(111)/Cr2O3(0001)界面模型的多种性能进行对比,选取一种相对稳定的基体／氧化物界面结构；然后,以其为平台研究了镍基合金中Al原子在界面处的扩散途径。研究结果证实,界面附近的合金元素Al原子将穿过Ni/Cr2O3界面进入Cr203内部,通过置换Cr原子的方式与O原子结合成键,形成致密的A1203氧化物,该结论表明实验中A1203氧化物层的出现是合金内部Al原子扩散、偏聚的结果。并且研究证实随着Al原子向界面层的偏聚,最终将形成稳定的Ni/Al2O3/Cr2O3多层氧化膜结构,即诠释了Ni基合金氧化膜结构中外层为Cr203,而内层形成A1203层的实验现象,实现了对多层氧化膜结构形成及生长机理的微观电子阐释。正是由于Al原子扩散引发的这种择优氧化,形成了致密的多层氧化膜结构,从而阻止氧原子进一步向基体内部扩散,最终实现Ni基合金优异的高温抗氧化性能。此外,表面氧化膜与基体材料之间的界面结合能力与合金的抗氧化性能和使用寿命密切相关。因此本论文还采用第一性原理方法,模拟并讨论了单轴拉应力对多种不同位向关系金属／氧化物界面结构产生的影响,试图从原子和电子角度揭示实际外力环境作用下镍基合金表面氧化膜的结合力和失效机制。研究发现位向关系为[1-10]//[11-20]的Ni/Cr2O3界面拉伸时,变形首先发生于Ni基体中,而Cr2O3、Ni/Cr2O3界面具有较高的强度,当Ni形变强化到一定程度时,金属／氧化物界面才开始启裂,直至最终界面完全断裂。具有不同位向关系的金属／氧化物界面拉伸对比发现适当的位向关系能够调控界面结合能力,而A1203氧化层的形成有助于提高Ni/Cr2O3界面的结合能力。