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Nb-Si系金属间化合物中，Nb5Si3和NbSi2因具有高熔点低密度的特征，成为新一代航空发动机中极具发展潜力的高温结构材料。但Nb-Si系金属间化合物的工业应用仍然存在一些问题，主要包括高温稳定性不够、高温强度不理想和室温韧性较差三个方面。本文用电弧熔炼和定向凝固等方法制备了两种共晶材料：Nb/Nb5Si3系和NbSi2/Nb5Si3系。采用X射线衍射，电子探针，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，显微硬度计，室温及高温力学试验机等检测手段对这两种材料进行了表征，探索解决上述三个问题的途径。
Nb5Si3相在冷却或者热处理过程中会发生从β到α的相转变，并伴随着NbSi2的析出或者亚稳相Nb3Si的形成。新相的产生容易导致微裂纹进而影响材料的高温强度。更重要的是材料高温稳定性不足对于材料的使用是非常不利的。针对这一问题，本文利用Rietveld方法精确计算了β-Nb5Si3的相结构，从晶体学角度探讨了造成β-Nb5Si3发生相转变的关键因素。发现过量Si原子在β-Nb5Si3中置换了4b位置的Nb原子，从而导致β-Nb5Si3晶体在c轴方向上出现了Nb-Si链。准化学计量比的β-Nb5Si3晶体在c轴方向上仅有Nb-Nb链。由于Nb-Si键的结合强度高于Nb-Nb链，因此Nb-Si链的出现必然造成β-Nb5Si3晶体在c轴方向上的不均匀性，进而引起了β-Nb5Si3的相稳定性下降。为了解决Nb5Si3相稳定性的问题，本文从合金设计的角度出发加入Mo元素以置换占据4b位置的Si原子。由于Mo原子的尺寸和电负性都与Nb原子相似，因此Mo原子的引入可以改善β-Nb5Si3中在c轴上的不均匀性，最终达到稳定β-Nb5Si3的目的。试验表明，Mo的加入可以达到稳定β-Nb5Si3的目的。
Nb5Si3的本征脆性是其工业应用的另一障碍，目前国际上的研究热点在于引入适量的延性相Nb，制备Nb/Nb5Si3原位复合材料以提高室温韧性。本文分别研究了Mo和Ti两种合金元素对亚共晶材料Nb-10(at.﹪)Si和共晶材料Nb-18(at.﹪)Si室温断裂韧性的影响。合金元素的加入改变了延性相的塑性变形能力，尺寸，形貌和体积分数以及两相的界面结合力，进而影响了材料室温断裂韧性。对于亚共晶材料，由于延性相Nb的体积分数较高，延性相的塑性变形能力和界面结合力对材料的断裂韧性影响较大。Mo的固溶强化作用明显导致延性相的塑性变形能力下降，因此Mo的添加不利于Nb-10(at.﹪)Si断裂韧性的提高。相反Ti不会影响延性相的塑性变形能力，并且Ti的加入可以降低相界面的结合力，引起脆性相对延性相束缚程度的下降，从而明显的改善了材料的断裂韧性。共晶材料中延性相的体积分数较低，因此延性相的尺寸和形貌对材料的韧性影响更大。5(at.﹪)Mo的加入可以增加延性相粒子的尺寸和体积分数，从而明显地改善Nb-18(at.﹪)Si合金的室温韧性。Ti对于Nb-18(at.﹪)Si合金中延性相的尺寸和体积分数影响较小，因而对材料室温断裂韧性的作用不太明显。
Nb5Si3的熔点极高(2515℃)，难以获得纯净致密的单相材料，因此通常把Nb5Si3作为增强相使用在Nb/Nb5Si3复合材料中。但是延性相Nb的引入会导致材料高温性能的下降和密度的增加，这对于用作航空发动机部件的高温结构材料而言是非常不利的。为了解决这一问题，本文利用定向凝固制备了具有高比强度的NbSi2/Nb5Si3复合材料。通过控制定向凝固的抽拉速度和晶体旋转速度获得了纤维状共晶组织。利用Mo元素对β-Nb5Si3的稳定化作用，使该材料高温下获得了稳定的相组成。在1200℃～1500℃的温度范围内材料具有很高的压缩强度。其中压缩方向与凝固方向平行时，Nb-57(at.﹪)Si-2(at.﹪)Mo合金在1500℃时压缩强度可以达到593MPa。压缩方向与凝固方向成45°时强度较低，这是由于相界面在压缩过程中发生滑动而影响了压缩强度。可以观察到NbSi2/Nb5Si3复合材料的强度随温度变化的曲线在1300℃时压缩强度远高于1400℃。用透射电镜观察压缩后的NbSi2/Nb5Si3复合材料，发现变形集中在NbSi2相，因此NbSi2的高温强度对材料整体强度影响较大。分析了合金元素Mo对NbSi2高温强度的影响，认为二元和三元的NbSi2/Nb5Si3复合材料分别在1300℃和1500℃下出现强度增加是由于NbSi2在高温下出现异常强化峰。少量杂质形成的异质原子气团会造成NbSi2在1300℃左右出现异常强化峰。而Mo的加入会影响强化峰的峰值强度和温度。NbSi2在高温变形时位错反应会导致超晶格内禀层错(SISF)的出现，SISF导致在NbSi2的C40结构中出现C11b结构，C11b结构的产生使Mo更容易迁移到位错周围形成异质原子气团，阻碍位错运动。在变形后的NbSi2相中存在两种位错[1210]和[121X]。由于在NbSi2中每一个Nb原子都被几个Si原子所包围，因此置换了Nb原子的Mo的迁移路径非常有限。由于迁移路径的限制，Mo原子必须在较高的温度下才能够迁移到位错周围形成异质原子气团。因此加入Mo的NbSi2/Nb5Si3复合材料在1500℃时高温强度明显高于二元的NbSi2/Nb5Si3复合材料。