基于二元互不固溶金属体系的材料在航天、核聚变工程、电子封装以及反装甲武器等领域中有着广泛的应用，但由于反应热为正、组元性质差异较大，其直接合金化以及相应的材料制备都十分困难。针对于此，国内外开发了多种用于二元互不固溶金属直接合金化的方法，并对合金化过程的热力学和扩散机制进行了研究。本文首先综述了机械合金化、物理气相沉积和离子束混合3种已有合金化方法的原理、热力学机制及其在二元互不固溶金属粉末合金和纳米多层膜等材料中的应用。然后，介绍了近些年来本研究组提出并发展的辐照损伤诱发合金化、高温结构诱发合金化等新型互不固溶金属合金化方法，详细阐述了这2种方法的原理、合金化界面显微结构、热力学机制、扩散机制和应用。最后，展望了二元互不固溶金属体系合金化研究的发展趋势。

应用“团簇+连接原子”模型，基于合金液-固局域结构相容性和金属选区激光熔化(SLM)工艺熔体急冷的技术特性，设计高Mg含量SLM专用AlSiMg1.5合金新成分，系统研究时效温度和时间对SLM成形AlSiMg1.5合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，通过调整工艺参数，可获得近乎全致密的SLM成形样品。当时效温度为300 ℃时，随着时效时间的延长，SLM成形样品岛状富Al组织中过固溶Si逐渐析出长大，网格状富Si组织逐渐分解球化，样品的硬度和压缩屈服强度逐渐降低，塑性明显增加。当时效温度为150 ℃时，不同时效时间下SLM成形样品的显微组织没有发生明显变化，但硬度和屈服强度随时效时间的延长先增大后略有降低。SLM成形AlSiMg1.5样品经150 ℃时效处理后的最大显微硬度和压缩屈服强度分别为(169±1) HV和(453±4) MPa，样品延伸率超过25%。本工作设计获得了成形性和力学性能优异的SLM专用铝合金新成分Al_91.0Si_7.5Mg_1.5 (质量分数，%)。

采用OM、SEM、EMPA、DSC、电导率和常温拉伸性能测试等手段，分别对传统双辊铸轧及电磁双辊铸轧2种工艺条件下制备的2099Al-Li合金的微观组织及性能进行了深入研究，分析了双辊铸轧过程中的偏析产生机理及电磁振荡场的作用机制。结果表明：双辊铸轧工艺将连续铸造和轧制变形结合为一道工序，解决了传统铸造方法制备Al-Li合金因Li元素的加入而导致的严重缩孔等问题，但在铸轧板材中心存在宽度接近1 mm的宏观偏析带。在铸轧过程中施加电磁振荡场后，偏析带基本消除；二次枝晶臂间距缩减至6.90 μm；Cu、Zn、Mg元素的偏析度分别降低至2.45、0.93、1.05；合金中的非平衡共晶相含量显著降低。相较于双辊铸轧工艺，电磁双辊铸轧制备的2099Al-Li合金板材的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别提升了34 MPa、18 MPa、2.8%，合金的力学性能得到大幅改善。

选用新一代核电安全端52M镍基合金异种金属焊接接头(DMWJ)为研究对象，以热影响区中危险位置为初始裂纹所在位置，系统研究了热影响区(HAZ)、熔合区(FZ)和近界面区(NIZ)材料拘束对DMWJ断裂行为的影响，并在此基础上对DMWJ各区域的材料拘束进行优化设计。结果表明，对于热影响区裂纹，当单独改变裂纹所在HAZ区域的强度时，J-R阻力曲线随着HAZ区域材料拘束失配系数(M_s)的增加而单调增加；当单独改变裂纹周边FZ或NIZ区域的强度时，J-R阻力曲线随着FZ或NIZ区域M_s的增加先增加后降低再不变。材料拘束优化后，DMWJ的J-R阻力曲线均明显高于实际DMWJ的J-R阻力曲线，同时改变3个区域的材料拘束失配系数，当M_s (HAZ):M_s (FZ):M_s (NIZ)=2:1.4:0.84时，得到了几倍于目前DMWJ的J-R阻力曲线。

针对U-Co与U-Fe体系中非晶形成能力最佳的合金U_66.7Co_33.3与U_69.2Fe_30.8，通过调整合金熔体的冷却速率获得一系列非晶样品，结合XRD与DSC技术研究了样品的相组成随冷却速率的演变规律。结果表明，这些合金在较高冷却速率下几乎都能够完全非晶化，而当冷速降低到一定程度时都会析出U₆Mn型晶体相。相比而言，U-Fe合金形成完全非晶需要更低的临界冷却速率，从而直接证实U-Fe体系比U-Co具备更强的非晶形成能力，其原因是前者在非晶形成过程中兼具热力学与动力学优势。

以一种第一代单晶高温合金为实验材料，利用〈001〉〈100〉和〈011〉〈110〉 (2个指数分别为一次和二次取向) 2种取向的单晶料板，采用敲击共振法测试了从室温到1100 ℃范围内第1种试样的Young's模量和剪切模量及第2种试样的剪切模量，根据测试结果，计算出单晶高温合金的3个弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄，从而得到单晶高温合金各个取向的Young's模量和剪切模量。绘制了Young's模量和剪切模量的最大值及最小值的三维取向分布图，分析了弹性模量随晶体取向的变化规律。当一次取向沿着〈001〉和〈111〉时，剪切模量在面内具有各向同性。当一次取向沿着〈011〉时，剪切模量随着二次取向的变化而显著改变，二次取向为〈110〉时具有最小值，二次取向为〈100〉时具有最大值。

对3种成分的高强汽车板进行相同的热浸镀锌工艺处理，研究表面氧化物的热力学成因及其对界面层组织的影响，并对不同变形量条件下的拉伸断裂行为进行原位分析。结合微观组织分析与热力学计算可以看出，钢板成分的不同会造成其表面氧化物的形成差异。当Mn₂SiO₄与SiO₂为热力学稳定相时，界面处难以形成连续的Fe₂Al₅Zn_0.4抑制层，锌液与Fe基体反应生成ζ-FeZn₁₃脆性化合物，在拉伸过程中界面易开裂且裂纹会向基体扩展，导致力学性能下降；当少量MnO与Mn₂SiO₄为热力学稳定相时，形成以Fe₂Al₅Zn_0.4抑制层为主的界面组织，拉伸裂纹在界面产生，而后向Zn层扩展，钢板的拉伸断裂主要由基体的失效所致；而当钢板表面形成大量MnO与FeO亚稳相时，通过铝热还原反应形成的Fe会与锌液接触，使Zn层内部形成脆性Γ-Fe₁₁Zn₄₀相，拉伸裂纹极易在Zn层产生并扩展，而界面未还原的MnO层与基体结合强度较高，拉伸断裂由基体失效所致。

利用Gleeble热力模拟、EBSD和TEM等方法，研究了Ni-30%Fe合金热变形后奥氏体的亚动态软化行为，分析了微观亚结构演化对奥氏体亚动态软化机制的影响。结果表明，亚结构恢复和亚动态再结晶是奥氏体亚动态软化的2种主要机制。当奥氏体内发生部分动态再结晶时，再结晶晶粒与变形基体间的储能差较大，热变形后保温过程的软化首先是通过亚动态再结晶进行；同时，变形基体内亚结构的恢复会逐渐降低变形基体内的形变储能，使晶界迁移速率降低而抑制亚动态再结晶的继续进行。而当奥氏体内动态再结晶发生完全时，在热变形后的保温过程中，再结晶晶粒内部因持续变形而形成的小角度亚结构会通过快速恢复而大量分解，形成不均匀的高密度位错会促进大角度晶界的局部迁移，从而促进晶粒的粗化，加速材料软化。

通过与裸钢筋和完好涂层钢筋对比，研究了带损伤环氧涂层钢筋在Cl^-和碳化耦合作用下的腐蚀演化行为。在表征环氧涂层组成与结构特征的基础上，采用CLSM及Raman光谱分析涂层损伤处的腐蚀形貌及产物组成；采用腐蚀电位与电化学阻抗谱监测腐蚀过程，揭示腐蚀演化动力学规律。结果表明，无预制损伤的环氧涂层对钢基体具有良好的保护作用，在6种Cl^-及碳化侵蚀性环境中长期浸泡均未发生腐蚀。预制损伤涂层钢筋试样的腐蚀活化/钝化行为与未涂装的裸钢筋一致，均明显地受Cl^-和碳化影响。在无Cl^-且pH值为12.6和9.8的溶液中发生钝化；在无Cl^-且pH值为9.2的溶液以及0.6 mol/L NaCl的不同pH值溶液中均发生活化溶解，且腐蚀速率随时间延长呈增加趋势。在不含Cl^-溶液中，长期腐蚀后的腐蚀产物主要为α-FeOOH；而在不同pH值的含Cl^-溶液中，其腐蚀产物除α-FeOOH之外，还含有β-FeOOH及少量Fe₃O₄。在Cl^-和碳化耦合作用下，预制损伤涂层钢筋的腐蚀仅发生在损伤部位，腐蚀向基体深处扩展，不会造成其它部位涂层的剥离。

采用电化学技术(动电位极化曲线、自腐蚀电位、EIS以及Mott-Schottky曲线)和表面分析方法(SEM、XPS)研究了羟基亚乙基二膦酸(HEDP)对空冷20SiMn低合金钢在含Cl^-的高碱性混凝土模拟孔隙液中的缓蚀作用及机理。结果表明， HEDP对20SiMn钢在含1 mol/L NaCl饱和Ca(OH)₂溶液中的缓蚀效果随HEDP浓度的升高存在极值，最佳浓度为1.441×10^-4 mol/L。在此浓度下HEDP将20SiMn钢的钝性保持时间从6 h延长至9 h，缓蚀效率达到46.45%~59.78%。在发生点蚀的情况下，HEDP对点蚀的发展亦有显著的抑制作用，缓蚀效率超过93%。电化学和表面分析结果表明，HEDP优先吸附在钝化膜表面，通过竞争吸附机制屏蔽了侵蚀性Cl^-向钝化膜表面的附着，从而对其产生保护作用。

分别选用金刚石、Al₂O₃和准晶的单颗粒切削模型对不锈钢表面进行有限元仿真，定性表征准晶磨料对不锈钢表面的作用特点，结合硬度、Mott-Schottky曲线和动电位极化曲线等实验结果，综合分析准晶磨料强化不锈钢表面钝化膜的耐蚀机理。结果表明，经准晶单颗粒磨料反复磨削后，不锈钢表层的等效塑性应变最大，最高可达73%，此结果与实测的碾磨系数变化规律相符。经准晶处理的不锈钢，其纵向影响层表现出较高的梯度等效应力分布特点，与实验测得的不锈钢表层不同深度硬度的变化规律一致，即准晶磨料处理的不锈钢的硬度在不同深度的影响层都保持最高值。Mott-Schottky曲线最低载流子浓度表明，准晶磨料处理的不锈钢表面形成比较完整的钝化膜；动电位极化曲线最小维钝电流密度说明准晶处理的不锈钢表面更容易钝化。

采用第一性原理方法研究了V(110)表面的氧吸附行为以及Al、Ti、Cr等合金元素的影响，并结合热力学原理构建了钒合金表面氧化相图，分析了钒合金表面氧化的微观机制。结果表明，Al和Ti倾向于在V(110)表面偏析，Cr不会在V(110)表面偏析。在V(110)表面会发生Al和Ti的选择性氧化，而Cr不会发生选择性氧化。对钒合金表面氧化机制的研究结果可以很好地解释钒合金的氧化行为，并可预测V-Al合金的选择性氧化行为，从而为钒合金表面氧化物阻氚涂层的制备提供指导。