为了进一步细化镍基单晶高温合金的微观组织与提升元素分布均质化程度，本工作研究了纵向静磁场对镍基单晶高温合金DD98M定向凝固组织与微观偏析的影响与作用机制，基于Kurz-Fisher模型获得了非平衡固相线与枝晶尖端之间的温差(ΔT')与温度梯度(G)的比值与磁场强度的对应关系，以及枝晶尺度内凝固各阶段的有效分配系数和枝晶干与枝晶间的平均有效分配系数。结果表明，随着磁场强度的增大，DD98M合金的一次枝晶间距减小，γ/γ'共晶组织细化，γ'相尺寸减小，且枝晶间的γ'相逐渐规则化；磁场能有效抑制微观偏析，随着磁场的增大，Al、Ta、Co、W等元素的偏析程度逐渐降低。静磁场下合金的微观组织细化归因于磁场在熔体中引发的热电磁对流导致ΔT' / G的降低或过冷度的增加，而枝晶尺度上合金元素偏析降低本质上是磁场使元素的有效分配系数更趋近于1。

针对Ti及钛合金在激光加工过程中极易发生表面氧化的问题，提出了一种基于惰性电解液的阴极电保护激光加工工艺。利用SEM和EDS表征了该工艺中不同工作电流和电解液下加工区域的微观形貌和O含量。结果表明，利用电流竞争和提高电解液惰性的2个思路，可以降低激光加工区域的O含量。在工作电流为600 mA、电解液是0.2 mol/L KNaC₄H₄O₆ (酒石酸钾钠)的40%EtOH溶液时，加工区域极少产生裂纹、气孔等缺陷，且含O量降至4.9%。利用电压表和参比电极测量了装置的工作回路伏安特性曲线和阴极极化曲线，以明确本工艺的电力要求和样品的极化状况。结果表明，工作电流在150~900 mA的区间里，工作回路伏安特性曲线和阴极极化曲线都呈明显的线性关系。分析2条曲线，佐证了电解液惰性与O含量的关系：提高电解液惰性可以减少加工区域H₂O的供给，从而以减少反应物的方式阻止H₂O氧化Ti的反应正向移动，降低O含量。

铸造高温合金的流动性对铸件成形和组织具有重要影响，但目前关于B和Zr元素对合金流动性的影响规律及其作用机制的研究尚不充分。本工作采用螺旋型流动性测试模型、高温激光共聚焦显微镜和双热电偶法等研究了不同B和Zr含量对IN718高温合金的流动性、凝固过程、枝晶搭接点温度及持久性能的影响，探讨了B和Zr复合添加对流动性的影响机理。结果表明，复合添加B和Zr可同时有效提高IN718高温合金的流动性和高温持久性能。合金中B和Zr含量分别为0.0059%和0.042% (质量分数)时，流动性最好，比原始合金提高了90%以上，持久寿命提高了77%。当合金中B和Zr含量较高时，枝晶在糊状区具有较低的生长速率，使得枝晶搭接点温度(T_DCP)降低，增大了液相线温度(T_L)与枝晶搭接温度之差(T_L- T_DCP)，延缓了枝晶搭接，从而有利于提高熔体流动性。

热处理可有效调节两相钛合金的强塑性关系，但是热处理对其导电性能的影响还不明确。本工作研究了退火温度对Ti-6Al-3Mo-2V-1Cr-2Sn-2Zr合金板材显微组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明，轧制钛合金板材形成了沿轧向(RD)排列的条带状组织，板材织构类型为T型织构。板材在两相区退火后，双态组织中的α_s/β (α_s为次生α相)界面强化导致板材屈服强度升高，延伸率下降。屈服强度呈现明显各向异性，沿板材横向(TD)的屈服强度更高。而在单相区退火后，α_s相明显粗化，且有晶界α相(α_GB)相析出，板材延伸率急剧下降。α_s相变体选择诱发形成了R型织构和c轴方向沿ND向RD偏转20°~30°的新织构，此时沿板材TD的屈服强度仍高于沿RD的屈服强度，屈服强度各向异性受织构的影响减弱。电阻率分析结果表明，钛合金板材由于条带状组织及T型织构的形成，使沿板材RD的电阻率更高。而条带状组织消失及R型织构体积分数增加，使电阻率各向异性减弱。

发动机用TiAl涡轮与转轴摩擦焊接过程中，在焊合区会产生脆性过渡相，从而影响接头性能。为揭示TiAl基合金与GH3039合金摩擦-扩散双重焊焊合区过渡相的形成规律，探究过渡相的晶体结构和断裂性能，采用在焊接过程中中断焊接的方法，取得了双重焊不同阶段的接头。采用SEM研究了这些接头焊合区过渡相的形貌及其演变规律；利用TEM及配套的原位纳米力学测试系统，研究了过渡相的晶体结构及Al-Ni-Ti三元金属间化合物相的裂纹扩展行为。结果表明，在摩擦焊及其热处理过程中，焊接界面上陆续发生相变形核并初步长大形成新的过渡相：Ni₃(Al, Ti)、(Ni, Cr)_SS、Al₃NiTi₂、AlNi₂Ti和Ti₃Al。随后的扩散焊接过程中的压力和高温促进Ti₃Al和Al₃NiTi₂形成稳定的双相区，促使(Ni, Cr)_SS区调幅分解形成相互交错呈柱状分布的fcc结构(Ni)_SS和bcc结构(Cr)_SS。Al₃NiTi₂和AlNi₂Ti相内弥散分布着极少的α相纯Ti，α-Ti与Al₃NiTi₂相界处于非共格状态。Al₃NiTi₂和AlNi₂Ti分别具有六方和bcc结构。在原位压缩过程中，Al₃NiTi₂相内裂纹的形核和扩展，均没有发现明显的塑性变形和位错运动。但观察到裂纹尖端附近晶格面发生微区变形，原子排列从有序结构转变为无序结构。

B微合金化可显著改善金属材料的力学性能，但是其对CoNiV合金的影响仍不清楚。本工作系统研究了(CoNiV)_{100 - x} B _x (x = 0、0.1和0.2，原子分数，%)合金静态拉伸力学性能以及形变前后晶体结构、微观组织及微观硬度特征，揭示了微量B元素掺杂对CoNiV合金微观组织和力学性能的影响规律及作用机制。结果表明，微量B元素掺杂可以同步提升CoNiV合金的强度和塑性。0.2%B掺杂可使CoNiV合金屈服强度、极限抗拉强度和断裂延伸率分别提升12%、10%和30%。微量B元素掺杂对CoNiV合金的晶体结构、晶粒尺寸与分布、晶体学取向及塑性变形机制影响较小。(CoNiV)_99.8B_0.2合金室温下晶体结构仍旧为fcc结构，静态拉伸过程塑性变形机制仍为位错滑移，无应力诱发马氏体相变和形变孪生现象。纳米压痕测试结果表明，微量B元素掺杂可显著提升CoNiV合金晶界/孪晶界硬度，证实了B元素在CoNiV合金中的晶界强化作用。晶界/孪晶界强度的提升，一方面可增加位错穿过阻力，另一方面能够增加其阻碍裂纹扩展的能力，这是B掺杂使CoNiV合金强度和塑性同时提升的根源。另外，固溶到基体中的B元素也对位错运动起到一定钉扎作用，有利于合金强度的提升。

Cu元素合金化可以提高低碳马氏体不锈钢的力学性能，但其对该材料耐腐蚀性能的影响尚没有一致的认识。本工作采用SEM、XRD、TEM、APT以及电化学测试等手段研究了添加3%Cu (3Cu)对低碳马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo显微组织及耐腐蚀性能的影响，并与不含Cu不锈钢进行了对比分析。结果表明，经过1050℃固溶处理后，Cu均匀地分布在板条马氏体基体上；400℃回火后，Cu形成了极小的纳米团簇，其中偏聚了大量的Fe原子等；500℃回火后，Cu纳米团簇长大为尺寸为5~10 nm的富Cu析出相，核心处主要偏聚Cu原子，且与基体处于共格关系，而碳化物则由富Fe的纳米团簇生长成富Cr的析出相。3Cu低碳马氏体不锈钢经过500℃回火后表现出优异的耐腐蚀性能，这是因为富Cu析出相的长大过程中伴随着向周边基体排出Cr原子，减少了由富Cr碳化物造成的贫Cr区，从而降低了3Cu低碳马氏体不锈钢的腐蚀敏感性。

对2000 MPa级热成形钢的研究大多关注成分、加热温度和时间对力学性能的影响，而很少关注加热过程。本工作引入闪速加热，研究了一种新型2000 MPa级热成形钢以150℃/s闪速加热至850~950℃后再回火的显微组织和拉伸力学性能。结果表明，与常规加热工艺相比，在相同温度下闪速加热可同时改善材料的强度和塑性。2000 MPa级热成形钢经闪速加热至950℃可获得最佳力学性能，抗拉强度为2180 MPa、延伸率为13%，较相同温度下常规加热样品分别提高了约200 MPa和4%，这是由于闪速加热导致淬火后形成的马氏体组织显著细化、位错密度更高且残余奥氏体更多。残余奥氏体的增多主要与初始组织中富C/Mn渗碳体在闪速加热时固溶形成的C/Mn富集区未及时扩散均匀化相关。随着闪速加热温度升高，更多渗碳体可以固溶，因此残余奥氏体体积分数逐渐增大。奥氏体逆转变动力学模拟计算结果也证实了这一点。

激光整形是调控微观结构以改善增材制件性能的重要手段，但是激光整形定向能量沉积过程中的基本热输运行为仍需阐明。本工作建立了激光定向能量沉积三维热输运模型，对比研究了Gaussian形态(GP)、超Gaussian形态(SGP1、SGP2)和完全平顶形态(FTP) 4种激光束空域形态对316L不锈钢熔池传热和流体流动特征的影响。结果表明：GP、SGP1、SGP2和FTP下熔池的峰值温度依次降低，凝固界面上的温度梯度从熔池顶部到熔池底部逐渐上升；凝固界面的温度梯度与其到熔池表面光束中心的距离负相关，与凝固界面的法方向和激光扫描方向的夹角正相关；在GP、SGP1、SGP2和FTP作用下，靠近熔池后部的相同凝固界面处的温度梯度依次增大，但熔池底部的温度梯度却依次减小，熔池的平均流速依次减小；4种激光束空域形态下的熔池流动由Marangoni剪切应力主导，传热由Marangoni对流传热和热传导共同主导。

为研究黏性烧结过程的组织形貌和物理性能的变化规律，本工作建立了黏性烧结过程的相场模型，分析了烧结颗粒的形貌、轴向速度场和压强场的演化结果。模拟结果表明：在表面张力驱动下，2个等大颗粒逐渐合并为1个圆形颗粒，演变过程中质量守恒；速度场在颗粒内部分为接触应变区域与刚体运动区域；颗粒内外压强差与颗粒曲率成正比关系。进一步分析发现，2个圆形颗粒的颈球比与收缩率在演化的开始阶段变化很大，符合黏弹性接触的规律；而在演化后期的变化较慢，此时2个圆形颗粒的颈球比与收缩率接近平衡状态的值；随着迁移率的增大，演化速率加快，但对稳定状态的形貌影响不大。多颗粒的模拟结果表明，黏性烧结过程中气孔会发生球化，随后缓慢消失，出现致密化；相同模拟条件下，尺寸较小的气孔演化速率更快。

探究新型磁性Heusler合金对于开发新一代智能传感材料具有重要的意义。本工作采用第一性原理计算对8种新型A₂BTi型磁性功能合金，包括3种钴基合金(Co₂MnTi、Co₂FeTi和Co₂NiTi)、3种铁基合金(Fe₂MnTi、Fe₂CoTi和Fe₂NiTi)以及2种镍基合金(Ni₂FeTi、Ni₂CoTi)，在四方晶格畸变过程中的相稳定性演化进行了理论计算，并对其L2₁相稳定性演变规律及背后机制进行了探讨。研究发现，价电子浓度和磁性是决定A₂BTi型合金L2₁相结构稳定性的关键参数。针对理论计算筛选出的L2₁相为非最稳定结构的Co₂NiTi、Fe₂NiTi和Ni₂CoTi，分别制备了合金样品并对其晶体结构、相变行为、磁性能、电阻和力学性能进行了实验研究。结果表明，室温下Co₂NiTi由有序面心立方L1₂结构基体相和六方Co₃Ti型第二相构成，Fe₂NiTi由六方Fe₂Ti型基体相和四方FeNi型第二相构成，Ni₂CoTi为单一的Ni₃Ti型六方结构。Co₂NiTi、Fe₂NiTi和Ni₂CoTi均不存在一阶结构相变，这可能与其L2₁结构低的晶格稳定性致使其难以被形成有关。Fe₂NiTi和Ni₂CoTi具有较强的磁性且存在二阶Curie磁性转变。Fe₂NiTi具有高的压缩强度(1280 MPa)、中等压缩应变(5%)及较大电阻(120 μΩ·cm)，而Co₂NiTi和Ni₂CoTi具有优异的压缩塑性和较小的电阻，这3种合金不同的功能行为可能与其价电子浓度差异带来的化学键中金属键和共价键组分比例不同有关。

为了控制Pb-Al合金凝固过程、制备原位Al粒子弥散分布于Pb基体的高性能Pb-Al合金阳极材料，本工作开展了脉冲电流作用下Pb-Al液-固分相合金连续凝固实验，建立了脉冲电流下合金液-固分相过程的组织演变模型，并结合实验开展了模拟研究，分析了合金液-固分相过程及脉冲电流的影响机理。结果表明，脉冲电流能有效降低合金液-固分相过程中Al粒子的形核能垒，提升粒子形核率，促进弥散型原位Al粒子铅基复合凝固组织的形成；峰值电流密度j_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}存在2个临界值j_{\mathrm{c}\mathrm{1}}、j_{\mathrm{c}\mathrm{2}}：当j_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\le j_{\mathrm{c}\mathrm{1}}时，脉冲电流影响很弱；当时，粒子形核率和数量密度随j_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}增大快速升高；当j_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\ge j_{\mathrm{c}\mathrm{2}}时，粒子形核率和数量密度随j_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}增大继续升高，但升高速率较慢；电磁力导致Al粒子由试样表面向心部迁移，使合金形成由表面Pb壳和原位Al粒子铅基合金内核组成的壳/核型复合材料。

为缓解H13钢表面超高速激光熔覆(EHLA)再制造Ni60A涂层的界面应力梯度，改善涂层的可熔覆性，提升涂层表面的耐磨性，本工作将超高速激光熔覆技术与直接反应合成(DRS)技术相耦合，在H13钢表面成功原位制备出组织均匀、无缺陷的Ti(C, B)/Ni60A复合涂层，并与EHLA制备的Ni60A涂层进行了对比分析。基于纳米压痕的Giannakopoulos & Suresh (G&S)能量法获得了熔覆界面的残余应力分布；利用SEM、EDS、EBSD研究了涂层显微组织、相组成和熔覆界面特征；利用聚焦离子束(FIB)获取了带有涂层表面磨损信息的样品，并采用双球差透射电镜(DSA-TEM)分析了涂层浅表区磨损特征，通过对比显微硬度变化，揭示了Ti(C, B)/Ni60A复合涂层浅表区的磨损机理。结果表明：由于Ti和B₄C发生原位反应放出约670 kJ的Joule热影响，Ti(C, B)/Ni60A复合涂层熔覆界面宽度达到22 μm，是EHLA制备Ni60A涂层熔覆界面(2 μm)的11倍，有效降低了Ti(C, B)/Ni60A复合涂层界面区的应力梯度，缓解了界面两侧的应力失配。然而，获得的Ti(C, B)/Ni60A复合涂层表面硬度仅为360~400 HV_0.2，不足Ni60A涂层表面硬度的1/2，而其磨损失重却处于同一量级，这一方面归因于原位自生的大量TiCB相及少量Ti₃B₄相等支撑Ti(C, B)/Ni60A复合涂层基体，实现减摩耐磨作用；另一方面归因于磨损浅表区180 nm范围内涂层材料在滑擦塑性流变-热-力三场耦合作用下形成了等轴化超细晶粒组织，从而动态强化了磨损表面。

实际服役过程中低压开关的过早失效主要归因于电弧侵蚀，因此阐明材料微观结构、力学性能退化及电弧侵蚀机理对进一步开发环保MAX相增强银基复合电接触材料进而推动低压开关材料更新换代具有重要意义。本工作沿Ag/Ti₂SnC电触头横截面从电弧侵蚀层到近电弧侵蚀层再到基体内部依次进行了微/纳米压痕实验，分析对比了不同区域显微硬度、纳米硬度、弹性模量、蠕变以及塑性/弹性性能沿电弧侵蚀方向的梯度变化行为。在综合分析不同区域微观形貌和元素组成的基础上，揭示了增强相Ti₂SnC和Ag基体的结构和成分演变，解析了Ag/Ti₂SnC复合材料微观结构梯度变化与微/纳米力学性能之间的内在关系。使用COMSOL模拟进一步验证了多场耦合侵蚀下Ag/Ti₂SnC复合材料的物理特征，进而提出电弧侵蚀机理。

微纳米颗粒增强TiAl复合材料拉伸行为的研究较少，且微纳米颗粒在高温下对TiAl复合材料断裂行为的影响仍不清晰，因此有必要研究微纳米Ti₂AlC颗粒增强TiAl复合材料的高温强韧化机制。本工作利用放电等离子烧结(SPS)技术原位合成微纳米Ti₂AlC颗粒增强TiAl复合材料，通过控制烧结温度，分别获得近片层、细小全片层和粗大全片层组织的Ti₂AlC/TiAl复合材料。分别在800和850℃、应变速率0.0001 s^-1条件下研究了Ti₂AlC/TiAl复合材料的高温拉伸性能及相应的强韧化机制。结果表明，微纳米尺度Ti₂AlC颗粒增强的近片层、细小全片层TiAl复合材料具有良好的强塑性，细小全片层Ti₂AlC/TiAl复合材料在850℃、0.0001 s^-1变形条件下的抗拉强度和断裂应变分别达到496 MPa和10.7%，较全片层Ti-48Al-2Nb-2Cr合金(800℃、0.0001 s^-1变形条件下抗拉强度467 MPa，断裂应变4.5%)使用温度提升50℃。Ti₂AlC/TiAl复合材料的强韧化机制主要为微纳米Ti₂AlC颗粒细化烧结组织、阻碍位错运动、促进孪晶形成、阻碍裂纹扩展，从而提高复合材料强度和塑性。