镍基单晶高温合金是航空航天领域使用非常广泛且高温力学性能十分优异的结构材料。为了提升镍基单晶高温合金的力学性能,通常需要添加不同种类和含量的合金元素,比如,难熔金属元素Re和W的添加可以起到固溶强化镍基单晶高温合金γ-Ni相的作用,Al元素的加入可以在γ-Ni相中形成析出相γ′-Ni3Al并起到第二相相强化的作用。因此,研究这些合金元素在镍基单晶合金中的相互作用以及对相稳定性的影响具有重要的科学价值和应用背景。利用第一原理结合统计热力学蒙特卡罗方法可以研究和预测镍基单晶高温合金内原子间的相互作用以及相稳定性。基于此我们首先研究了Re固溶在γ-Ni相中后形成的Ni-Re二元合金内Ni原子磁性以及合金晶格常数随着Re元素浓度增长而变化的趋势;然后,利用第一原理计算方法考察了低温和高温下Ni-Re合金体系内原子间的相互作用及析出相的稳定性,结果发现D1a-Ni4Re是富Ni的Ni-Re合金中最稳定的析出相;最后,利用第一原理计算得到的原子关联能,使用统计热力学蒙特卡罗模拟预测了Ni-9at.%Re合金从高温1200 K到室温300 K区间内原子的有序无序转变过程,并将我们得到的析出相转变温度点以及计算的原子短程有序参数与文献实验中Ni-9at.%Re合金的对应数值进行比较,发现我们的模拟结果与文献中实验结果吻合。接着,我们对W固溶在γ-Ni相内形成的Ni-W二元合金也进行了和Ni-Re合金相似的研究,并且更深入研究了W的浓度变化对Ni-W合金有序无序转变温度点以及最终析出相结构的影响。结果证实W的浓度同样会影响Ni-W合金的晶格常数、原子间相互作用以及合金内Ni原子的磁性,富Ni的Ni-W合金在高温下就有很强的有序化趋势,然而不同W含量的Ni-W合金中最稳定的析出相却呈现不同结构。使用第一原理计算的原子关联能,利用统计热力学蒙特卡罗模拟研究了W含量在1-35at.%之间的Ni-W合金内的有序无序转变,结果发现:W的浓度会影响富Ni的Ni-W合金内有序无序转变温度点以及最终生成的析出相结构。我们的模拟结果与已有的文献实验结果相吻合,并且对不同W浓度下Ni-W合金内的有序无序转变相关研究给予了理论支持和数据补充。最后,在二元合金基础之上我们进一步考察了三元Ni-Al-Re合金内原子之间的相互作用及相稳定性,且着重研究了Re的加入对基体γ-Ni相中析出相γ′-Ni3Al形成的影响。我们对Ni-Al二元合金的研究结果表明:Ni-Al合金在高温下就有很强的有序化趋势,其中L12结构的γ′-Ni3Al相最为稳定。我们所预测的γ-Ni基体相中γ′-Ni3Al相结构的析出温度与之前的文献实验研究结果吻合,并且我们还发现在Ni3Al化学计量数比附近,γ-Ni相中γ′-Ni3Al相的析出温度点随着Al含量的增加而升高。在此基础之上,进一步研究了在Ni-Al合金中添加Re之后形成的Ni-Al-Re三元合金的相稳定性,结果发现:随着Re浓度升高,γ-Ni相中γ′-Ni3Al相的析出温度点随之升高,而Re分布在γ-Ni/γ′-Ni3Al相界体系的γ-Ni相内并形成几个原子规模的Re原子团簇。同时,我们还对Re在γ′-Ni3Al相中的原子间相互作用进行了研究,并与Re在γ-Ni相中原子相互作用进行了对比,发现Re在γ′-Ni3Al相中较强的排斥作用可能是Re偏聚到γ-Ni/γ′-Ni3Al相界体系中γ-Ni相一侧的原因。