发展具有变革性的TiAl合金是航空发动机叶片等热端部件的重点方向，对航空航天高端装备轻量化具有重大意义。针对传统TiAl合金室温脆性大和长时承温能力低两大世界难题，本团队基于“功能基元序构”材料设计新范式，通过精确调控软相γ-TiAl、硬相α₂-Ti₃Al及纳米孪晶等功能基元本征特性和序构参数，显著提升了聚片孪生(polysynthetic twinned，PST) TiAl合金的强塑性和承温能力。发现了界面类型、片层取向、片层厚度及相比例等序构参数对合金力学性能的决定性作用，澄清了γ相孪生诱导强塑性、α₂相层错提高疲劳强度、α₂相变增韧及γ/α₂共格界面提高断裂韧性等强韧化物理机制，为探索功能基元序构的高性能TiAl合金探明了方向。最后，展望了TiAl合金功能基元序构的发展方向。

为研究凝固条件对第二代单晶高温合金DD6铸态和热处理态组织演化的影响，采用高速凝固(HRS)法和液态金属冷却(LMC)法制备了[001]取向合金。结果表明，铸态HRS合金的枝晶干γ′相呈现较为规则的立方形态，而LMC合金为不规则立方形态。随着浇注温度的升高，HRS合金γ′相尺寸呈现出先增加后降低的趋势，在1560 ℃时达到最大值；而1590 ℃浇注温度条件下，LMC合金的γ′相尺寸比HRS合金的更小。热处理后，所有合金γ + γ′共晶组织含量(体积分数)均大幅减少，且铸态合金γ + γ′共晶组织尺寸越小，热处理后降低幅度越大，这与铸态合金γ + γ′共晶组织含量无关。热处理态HRS合金和LMC合金枝晶干和枝晶间γ′相分布均匀、排列规则，立方化程度良好；LMC合金γ′相的尺寸均匀性优于HRS合金。不同凝固条件下铸态合金的组织差异主要由定向凝固过程中的温度梯度引起，因此通过提高浇注温度或采用LMC工艺等提高温度梯度的方式有助于细化合金枝晶组织，减轻元素微观偏析，进而降低合金热处理的难度。

传统奥氏体不锈钢(ASS)由于其较低的强度和硬度，难以在低温滑动磨损工况下安全服役。为解决这一难题，本工作以高氮316LN ASS为研究对象，通过轧制和退火工艺设计并制备了未再结晶组织、异构组织以及完全再结晶组织(分别记为NG、HS和CG组织)，分析了环境温度和微观组织对高氮316LN ASS摩擦学行为和磨损机制的影响规律。结果表明，不同于NG和CG组织，HS组织因磨屑颗粒减少了磨损表面与对摩擦副的直接接触，表现出最低的摩擦系数(CoF)。随着环境温度的降低，NG、HS和CG组织的磨损率均下降，在-120 ℃时磨损率均最低。当环境温度降低至-120 ℃时，与NG和HS组织相比，CG组织表现出最低的磨损率，这是因为其低层错能诱导马氏体相变和磨损表面形成的纳米/超细晶硬化层可以有效阻止裂纹扩展，使其耐磨性能显著提升。HS组织在磨损过程中同样发生马氏体相变并且存在类似的表面硬化层，但是磨损过程中产生的磨屑颗粒充当第三体磨料进一步加剧了磨损，使其耐磨性能降低。此外，CG组织由于其优异的低温塑性变形能力，在磨损过程中展现出轻微的磨粒磨损特征。

针对异质双金属复合材料在热轧过程中变形不协调严重影响性能和界面结合强度的问题，本工作对深海油气输送用X65/Inconel 625双金属复合板热轧工艺的精准调控进行研究。利用Gleeble-3800热模拟试验机对基材X65管线钢和内衬层Inconel 625耐蚀合金进行了热压缩实验，研究了双金属的流变应力、本构关系、热加工图、界面抗弯性能和微观组织特征等。结果表明，随着变形温度的升高和应变速率的降低，双金属的峰值应力差逐渐减小。在高温条件(≥ 950 ℃)下，X65钢的主要软化机制为动态回复，而Inconel 625合金为动态再结晶。理论分析与实验结果相结合可知，理想的双金属复合板的热轧工艺窗口为：1000 ℃终轧、70%压下量。在该参数下热轧后，界面平直且复合良好,具有较强的弯曲变形能力。复合板纵向屈服强度为469 MPa，抗拉强度为606 MPa，延伸率为30%，剪切强度为442 MPa。

承压件是油气钻井安全装置的核心部件，其强韧性控制至关重要。本工作研究了回火温度对超深井防喷器组承压件用自主选材——F22M钢微观组织和力学性能的影响，深入探讨了回火过程中F22M钢位错密度、析出相等微观结构的演化规律和回火态F22M钢的强韧化机制。结果表明，F22M钢回火态微观组织由贝氏体和少量回火索氏体组成。随着回火温度由610 ℃升高至670 ℃，贝氏体板条发生回复，位错密度由6.23 × 10¹⁵ m^-2降低至3.38 × 10¹⁵ m^-2；沿板条界面分布的长条状M₃C碳化物逐渐球化，转变为在基体中弥散分布的M₇C₃碳化物。F22M钢的屈服强度和抗拉强度出现下降趋势，低温冲击韧性显著提升。当回火温度由630 ℃升高至650 ℃时，-29 ℃冲击功由31 J急剧上升至277 J，提升幅度达到7.9倍。回火过程中，位错强化和析出强化是F22M钢的主要强化机制，贝氏体板条回复引起的软化效应和碳化物的球化是F22M钢冲击韧性提升的主要原因。

长时间回火(时效)后保持钢材的优异力学性能是全球性技术挑战。本工作对低合金高强钢焊缝金属中的针状铁素体在高温下进行长时间回火，通过OM、SEM-EBSD、HRTEM、冲击和拉伸测试等手段研究其显微组织演变及其对力学性能的影响，同时从材料动力学角度对实验结果进行了分析和讨论。结果表明，经580~700 ℃、1~12 h不同时间回火后，针状铁素体的位错密度及组织尺寸均未发生明显变化，析出相密度随着回火温度的升高而增加，钉扎了晶界和位错，阻碍了针状铁素体的粗化，提高了析出强化作用。640~700 ℃回火时，抗拉强度增加明显且在700 ℃左右时达到峰值。材料动力学分析结果表明，形核率-温度曲线和析出-温度-时间曲线的鼻温都在700 ℃左右，析出相在640~730 ℃时大量形成，析出强化作用明显增强。高密度位错和Mo的添加提高了碳化物形核率且细化了TiC，Mo的添加还提高了动力学曲线NrT和PPT的“鼻温”并使析出开始时间提前，改善了针状铁素体的高温回火力学性能。

非金属夹杂物是影响石油套管钢性能的重要因素之一，稀土(RE)能有效变质钢中的非金属夹杂物。本工作开展了套管钢精炼、连铸和热轧过程中稀土合金化改性夹杂物的工业实验研究，利用SEM-EDS、FactSage 8.3热力学计算软件及全自动夹杂物分析，对钢中夹杂物形貌、数量、尺寸等的演变行为进行了研究。结果表明，钢中稀土含量为4 × 10^-6时，石油套管钢液全氧含量可降低到7 × 10^-6，同时，钢中的Ca-Al-O类夹杂物转变为Ca-RE-Al-O夹杂物。稀土改性后铸坯样中夹杂物数量密度由44 mm^-2增加至46 mm^-2，尺寸为0~2 μm的夹杂物数量密度由13 mm^-2增加到18 mm^-2，而尺寸为5~30 μm的夹杂物数量密度由7 mm^-2降低至5 mm^-2，这表明稀土合金化工艺使钢液夹杂物尺寸减小。热力学计算和实验结果表明，CaS夹杂物在凝固阶段形成，其包裹在Ca-Al-O/Ca-RE-Al-O类夹杂物外围，夹杂物可能起到了异质形核的作用。在热轧过程中，未添加稀土的钢中出现条串状分布的夹杂物，而稀土合金化改性后夹杂物变形能力提高，未出现夹杂物破碎引起的条串状夹杂物。钢液/精炼渣反应、稀土类夹杂物的上浮去除等，是造成稀土收得率低的主要原因。

晶界偏聚元素常用于调控无取向硅钢再结晶织构，但其对织构演变的作用机制尚不清晰。本工作采用EBSD技术研究了Sb元素干预下无取向硅钢晶粒长大过程中的织构竞争。结果表明，Goss ({110}<001>)团簇的取向钉扎效应抑制了Goss晶粒长大，而毗邻晶粒通过消耗Goss团簇快速长大。晶界偏聚元素Sb通过降低Goss团簇周围{111}<112>晶粒的数量，抑制大尺寸{111}<112>晶粒的形成，削弱{111}<112>织构并强化λ织构。晶界偏聚元素Sb可通过调控织构组分的空间分布来改变晶粒长大过程中的织构竞争关系。

均质钛基复合材料因组织和性能单一而导致抗冲击性能不足，本工作旨在构筑一种兼具表层多孔和功能梯度特征的高吸能、高抗冲击钛基复合材料。通过ZrO₂空心球占位法和热压烧结法制备了含表层多孔钛层和五个梯度层的Ti6Al4V/TiC梯度材料，多孔钛层孔隙率为40%，梯度层致密度不低于98.8%，梯度层由底层向多孔钛方向，TiC加入量0~8%递增，TiC粒径由3~5 μm增加至15~53 μm。研究了表层多孔Ti6Al4V/TiC梯度材料的显微组织和性能，结果表明，相邻梯度层的连接形式为冶金结合，基体由层片状α-Ti相和β-Ti相构成，TiC颗粒主要分布在原始β-Ti晶界位置，强化机制为细晶强化、位错强化和弥散强化；与Ti6Al4V层相比，加入TiC颗粒后，原始β-Ti晶粒及其内部的α-Ti相、β-Ti相得到明显细化，加入尺寸为15~53 μm、含量为8%的TiC颗粒后，该梯度层材料硬度最高；加入尺寸为3~5 μm、含量为4%和6%的TiC颗粒后，两个梯度层材料的抗拉强度和韧性均提升，其中前者韧性最好，后者抗拉强度最高；在压缩实验过程中，表面多孔钛层能在较低压缩载荷下持续坍塌变形，具有显著的吸能特性。表层多孔Ti6Al4V/TiC梯度材料通过高吸能表层多孔钛的削弱冲击作用、高硬度迎弹面的抗穿透作用和高强高韧背弹面的抗冲击作用，来实现防护性能提升。

CrN/NbN涂层因其优异的抗腐蚀和耐磨损性能，在海洋服役环境中具有良好的应用前景。本工作采用电弧离子镀技术在45#钢基体上沉积了6种CrN/NbN涂层(S1~S6)，通过多层/纳米多层结构设计和引入离子刻蚀工艺降低了涂层缺陷密度，提升了涂层综合性能，并针对涂层的腐蚀磨损失效行为进行了初步探讨。结果表明，S2~S6涂层均具有细小的柱状晶结构，主要物相为CrN和NbN，且S2和S3多层涂层层间界面清晰、结合良好。S6涂层为纳米多层结构，调制周期为8.9 nm，子层界面共格且存在一定程度的Nb、Cr元素互扩散。涂层中的层错提升了涂层的力学性能。离子刻蚀工艺在不改变涂层物相结构和恶化涂层力学性能的同时，打断了大颗粒的连续生长，平滑了涂层表面/界面，从而显著降低了涂层的表面缺陷占比，其中S3和S5涂层的表面缺陷占比分别为(2.70 ± 0.19)%和(2.43 ± 0.49)%。随着子层厚度的降低，涂层的耐电化学腐蚀性能和耐腐蚀磨损性能逐渐提升，其中S6涂层具有最低的腐蚀磨损率，为2.42 × 10^-6 mm³/(N·m)。

感染性骨缺损一直是临床骨科治疗中的重点性疾病，设计兼具抗菌和成骨性能的骨组织工程生物材料对感染性骨缺损修复具有重要意义。本工作通过水热处理和浸涂法两步处理在纯Mg表面构建了BA + Alg@Ca复合涂层(其中，BA表示H₃BO₃水热溶液处理，Alg@Ca表示含CaG的Alg)，系统研究了复合涂层的形成机制及体外生物相容性。结果表明，BA + Alg@Ca复合涂层由3层结构组成，内层为Mg(OH)₂，中间过渡层为MgB₂O(OH)₆，外层为Alg@Ca涂层。浸泡实验和电化学实验结果表明，BA + Alg@Ca复合涂层具有良好的耐腐蚀性能。体外抗菌实验结果表明，由于[B(OH)₄]^-和海藻酸盐的协同作用，BA + Alg@Ca复合涂层抑制了革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的生长。BA + Alg@Ca复合涂层的细胞活性和增殖状态正常，表现出良好的细胞相容性。此外，BA + Alg@Ca复合涂层能诱导巨噬细胞向M2表型抑炎方向极化，发挥抑炎作用。BA + Alg@Ca复合涂层改性可降解纯Mg材料有望用于临床感染性骨缺损修复。