搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing，FSAM)是一种先进的固相成形技术，目前研究主要集中在对铝合金、镁合金等的FSAM成形工艺进行参数优化以减少缺陷，从而替代传统有热源的成形方式，但对于成形过程中材料的微观组织演变研究相对较少。本工作以2 mm厚的6061铝板为基材，采用FSAM技术在垂直方向成功实现了多层无孔洞缺陷材料的构建。通过微观表征及性能测试研究了成形件沿构建方向的组织演变和力学性能变化规律。结果表明，成形区发生了动态再结晶，获得了细小的等轴晶粒，界面过渡区经历搅拌头的二次搅拌作用后晶粒进一步细化。成形区整体抗拉强度为母材强度的47.7%~55.2%，延伸率提高到母材的144.6%~148.8%，上、下板重叠界面由于经历多次热循环，力学性能较差。球状的α-Al(MnCrFe)Si在基体中起强化作用，FSAM过程中强化相的大量溶解是成形试样力学性能大幅下降的主要原因。经过520 ℃固溶1 h和165 ℃时效18 h热处理后，成形试样的力学性能显著提高，硬度略高于母材，抗拉强度恢复到母材的87.2%~91.9%。

针对我国商用航空发动机大尺寸Ti6242合金压气机盘，开展了峰值应力对其室温保载效应影响的研究。利用Basquin方程式拟合了疲劳寿命与应力的关系，获得了保载效应应力门槛值。采用OM、SEM、XCT、EBSD和TEM等表征和分析了Ti6242合金保载效应强弱变化的失效特征及微观机制。结果表明，保载疲劳易于促使Ti6242合金形成稠密的位错平面滑移带，滑移带易穿越次生α相(α_s)片层，形成长距离滑移；增加应力会使裂纹萌生所需的晶体学条件放宽，使得软、硬晶粒分别在不利角度下启动位错滑移并解理开裂，形成空间取向角范围更大的解理小平面以及更多的疲劳裂纹，并开动难滑移的<c + a>位错和锥面滑移。利用XCT技术量化表征保载疲劳二次裂纹，间接测得Ti6242压气机盘中微织构的平均尺寸约为72 μm。根据断口小平面空间取向角结果，提出了基于EBSD数据识别适于反映保载疲劳性能的特征组织参数方法。

7xxx系超高强铝合金厚板凭借其轻质、高比强度等优点被广泛应用于航空航天等领域。为了优化7A65铝合金厚板的双级时效工艺，本工作利用原位电阻分析法系统分析了7A65铝合金的时效析出行为，制定了合金的双级时效工艺，并通过组织观察及力学性能测试探讨了时效工艺对厚板力学性能的影响规律及板材的强韧化机制。合金的等温转变(TTT)曲线表明，在120~220 ℃内出现了η相的脱溶“C曲线”。根据TTT曲线确定板材的最佳双级时效工艺为：121 ℃、6 h + 152 ℃、19 h，经此时效工艺处理后板材具有39%IACS以上的电导率和550 MPa以上的屈服强度，同时延伸率达到9%。

双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材的室温轧制性能较传统基面织构AZ31镁合金板材提升显著，但其中温轧制性能尚不明晰。为揭示双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材的中温(200 ℃)轧制变形行为及机理，利用EBSD技术，系统研究了基面织构和双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材在200 ℃多道次轧制变形过程中的微观组织特征。结果表明，双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材在中温条件下的轧制性能相较于基面织构板材仅有微小提升，双峰分离非基面织构板材经过五道次轧制后出现边裂现象，其累积压下量为48.0%；基面织构板材经过四道次轧制后出现边裂现象，其累积压下量为43.6%。基面织构板材在轧制变形过程中会激发大量的基面<a>位错和非基面位错(包括柱面<a>位错和锥面<c + a>位错)，以及少量的{\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{1}}-{\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}}二次孪生，进而在晶界和孪晶界位置发生明显的动态再结晶，相应的再结晶体积分数高达47.9%。双峰分离非基面织构板材在轧制变形初期除了激活高密度的位错，亦会激发大量的{\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}}拉伸孪晶来承载塑性应变。随着轧制道次增加，{\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}}拉伸孪晶界向晶粒基体区域迁移的同时吸收大量位错，这会降低变形晶粒内的位错密度，进而延缓动态再结晶的发生，导致双峰分离非基面织构板材温轧后的再结晶体积分数仅为11.4%。双峰分离非基面织构板材和基面织构板材在中温条件下区别显著的动态再结晶行为，是导致2者轧制性能接近(累积压下量差异仅为4.4%)的主要原因。

为研发具有良好软磁性和工艺性的高饱和磁感应强度(B_s) 铁基纳米晶合金，本工作以高Fe含量的Fe-B-Cu合金体系为对象，研究了B含量对Fe_{98.5 - x} B _x Cu_1.5 (x = 12~18，原子分数，%)系快淬合金带材的微结构、结晶化组织和磁性能的影响，分析了B含量-快淬微结构-结晶化组织-磁性能间的关联。结果表明，快淬合金均为非晶基体中分布着纳米尺度α-Fe晶粒(预存α-Fe晶)的结构；随x由12增加至18，非晶基体中预存α-Fe晶的数密度和晶粒尺寸逐渐降低，结构转变为近非晶态。经低升温速率热处理后，x = 12~17时合金均为非晶/α-Fe纳米晶双相结构，而x = 18时合金形成了非晶/α-Fe/Fe₃B纳米复相组织结构；x = 13~16时合金具有微细的纳米晶组织和较好的软磁性能，α-Fe相的平均晶粒尺寸(\overline{D}_α-Fe)、B_s和矫顽力(H_c)分别在15.8~16.3 nm、1.80~1.91 T和18.9~22.7 A/m的范围内，其中x = 15时合金的\overline{D}_α-Fe、B_s和H_c分别为16.0 nm、1.86 T和18.9 A/m。基于合金热处理前后的组织结构演化，提出了不同B含量快淬合金的结晶化模型，阐明了快淬合金非晶基体中高数密度的细小预存α-Fe晶粒间以及与热处理结晶化新生α-Fe晶粒间的强竞争生长效应，导致均匀、微细纳米晶组织形成的机制。

扩散连接技术在航空航天等领域精密、复杂结构部件的生产中受到越来越多的关注，连接温度是影响部件扩散连接后使用性能的关键因素。本工作采用热压工艺制备了TC4钛合金扩散连接样品，研究了热压温度对扩散连接区显微组织、力学性能及断裂机理的影响规律。结果表明，热压过程中扩散连接界面处的合金会发生动态再结晶，温度较低时，在扩散界面处再结晶形成细小α相，随着热压温度的升高，界面处的α相逐渐粗化；动态再结晶形成的α相与合金内部非扩散区α相的尺寸存在较大差异，由此产生的晶体学失配现象会显著降低扩散界面的性能，导致热压后的合金均在扩散区发生断裂，合金延伸率较低。热处理后扩散区的组织由初生α (α_p)相、针状次生α (α_s)相和少量β相组成，随连接温度的升高，α相的尺寸逐渐增大，界面处的晶体学失配得到改善，界面迁移程度增加，合金的抗拉强度提高到998.7 MPa，延伸率提高到17.5%，达到扩散连接前TC4钛合金的性能。

异种金属在激光熔覆、焊接等热加工成型过程中易出现偏析带，偏析带常与凝固裂纹伴生，直接影响加工成型后的力学性能。为了研究异种金属材料在冶金结合时偏析带形成机制及其演化规律，本工作将元胞自动机方法和Eulerian多相流算法相结合，建立了在316L不锈钢上激光熔覆IN718合金的二维熔化凝固模型，系统研究了激光熔覆过程中的温度场、熔池形貌、熔体流动以及元素分布的演化过程。通过对比熔池几何尺寸和晶粒取向验证了模型的合理性，对比x方向和y方向上的Fe元素含量分布来验证模型的可靠性。模拟结果表明，316L不锈钢基板上激光熔覆IN718合金冶金结合过程中出现了Fe、Ni元素富集、贫瘠交替分布的偏析带，与实验结果吻合较好。通过分析熔池中Fe元素的分布、熔池形貌和熔体流态的演化过程，该偏析带是熔池凝固过程中流体流动与熔池形貌变化不协调的结果。

静磁场作为外加物理场，可以有效调控材料成形过程，为调控镍基高温合金的凝固组织和晶体定向生长提供了新的思路。本工作研究了DD483镍基高温合金发散双晶在横向弱磁场下(0.1和0.7 T)的定向竞争生长规律和组织形貌演变特征。结果表明，未施加磁场时，发散双晶中择优取向晶粒(晶粒A)淘汰非择优取向晶粒(晶粒B)，且晶粒淘汰速率与抽拉速率无关。磁场能显著影响发散双晶的竞争生长速率，且其受到双晶在磁场下的摆放方式和抽拉速率的影响。当发散双晶在磁场下按A-to-B方式摆放时，施加磁场抑制了晶粒A在晶界处的分枝，减缓了晶粒A的淘汰速率。当发散双晶按B-to-A方式摆放时，施加磁场进一步促进了晶粒A在晶界处的分枝，加速了晶粒A的淘汰速率。随着抽拉速率的提高，磁场对减缓或加速晶粒的竞争淘汰作用逐渐减弱。磁场在枝晶间产生的热电磁对流效应改变了发散双晶晶界处的溶质分布，从而影响枝晶在晶界处的侧枝生长，这是导致晶粒竞争生长行为发生变化的主要原因。随着抽拉速率的增加，磁场作用时间变短，热电磁对流对晶界处分枝作用的影响减弱。

γ-TiAl合金长期服役于高温环境中，其表面氧化和组织演变会影响合金部件的力学性能。因此，研究γ-TiAl合金在高温条件下的氧化行为至关重要。本工作研究了γ-TiAl铸造合金Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B (45XD合金)和Ti-48Al-2Nb-2Cr (4822合金)在700 ℃空气中的长时等温氧化行为和组织演变。结果表明，4822合金的氧化增重和氧化膜增厚明显大于45XD合金。在0~2000 h内2种合金均表现出周期性氧化增重行为，即快速增长后缓慢增长交替进行，后期2者的氧化速率保持稳定。2种合金样品表面均形成了以表层TiO₂和Al₂O₃为主，靠近基体处为Ti/Al-N和富Nb/Mn(Cr)的分层氧化膜。45XD合金表面氧化产物细小致密，而4822合金表面氧化产物粗大疏松，内部存在微孔，且γ晶界处的大尺寸α₂相氧化严重，因此4822合金的抗高温氧化性能较差。受合金元素扩散的影响，45XD合金亚表层组织中的α₂片层发生分解：α₂→γ，在亚表层形成了一层富Al贫Ti的γ区；45XD合金内部组织中的α₂片层也部分转变为γ相，并且γ片层不断粗化。在4822合金内部组织中，γ晶粒内的α₂和晶界处的α₂ + β₀体积分数明显下降。

喷射成形是一种先进的材料制备工艺，具有成本低、流程短、绿色化等技术优势。我国虽已基本实现喷射成形工模具钢的规模化生产，但对喷射成形高速钢组织和性能特征的掌握仍不够深入。本工作以喷射成形、电渣重熔和粉末冶金3种制备技术生产的M3高速钢为研究对象，系统对比、研究了制备工艺对M3高速钢组织特征和力学性能的影响。结果表明，在退火组织方面，喷射成形和粉末冶金高速钢横、纵截面中的碳化物均呈弥散的颗粒状分布，但喷射成形高速钢的碳化物尺寸较大；电渣重熔高速钢横截面碳化物呈网状分布，纵截面碳化物呈带状分布。在力学性能方面，粉末冶金高速钢>电渣重熔高速钢>喷射成形高速钢，钢中碳化物分布越均匀、尺寸越细小，相应的硬度、抗弯强度和冲击韧性越高。在耐磨性能方面，喷射成形高速钢最优，钢中大尺寸的MC型碳化物不仅具有优异的抗磨效果，而且能够改变氧化层的形成方式，减少裂纹在基体中的扩展，提高耐磨性能。基于喷射成形M3高速钢的微观组织特征，分析了M3高速钢在喷射成形过程中的碳化物析出行为。

超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿(Brayton)循环系统具有较高的能量转换效率且对环境友好，因此在核能发电等领域有广阔的应用前景。电站中的热端部件材料因长期在高温CO₂环境中服役而面临严重的腐蚀问题。铁素体钢和奥氏体钢在该环境中的腐蚀机制有所不同，不能仅依靠Cr含量预测合金的腐蚀寿命。因此，本工作研究了铁素体钢T92及奥氏体钢316L在600 ℃、CO₂气氛中的腐蚀行为。结果表明，2种钢均发生了严重的氧化和渗C，在其表面均形成了外侧富Fe且内侧富Cr的双层氧化膜，并在钢的内部检测到明显的碳化物。316L奥氏体钢具有明显比T92铁素体钢更低的氧化速率，腐蚀500 h后的增重分别为1.38和10.51 mg/cm²。2者发生渗C的深度差别不大，分别约为241和329 μm。为了阻止CO₂对2种钢的腐蚀，开发了一种新型的耐腐蚀硼硅酸盐搪瓷涂层。采用喷涂-烧结法制备的搪瓷涂层在600 ℃、CO₂气氛中具有较高的热稳定性，且与基体界面结合良好，有效阻隔了CO₂的入侵，阻止了渗C反应的发生，并使钢的腐蚀增重降低了至少2个数量级。

为改善齿轮表面摩擦学性能，本工作在20CrMnTi齿轮钢表面化学沉积具有良好润滑特性的FeS涂层。通过SEM、EDS、XRD、白光干涉仪、Raman光谱等手段对磨痕形貌和成分进行系统分析，考察了干摩擦条件下FeS涂层的摩擦学性能。结果表明，制备的FeS涂层纯度较好，涂层表面由大量微米片聚集而成，涂层厚度为5.4 μm左右。摩擦实验表明，相对齿轮钢基体，含FeS涂层试样的磨损程度较低、摩擦系数减小。随着载荷增加，FeS涂层的摩擦系数和磨损量呈降低趋势。随着转速增加，FeS涂层的摩擦系数变化不大但磨损量增加。微观分析表明，较高的载荷有利于润滑膜的铺展，而较高的转速会加重材料的氧化磨损和黏着磨损。在摩擦过程中，润滑膜向摩擦对偶件转移，在对偶件表面形成的转移膜能阻碍摩擦副微凸峰之间直接接触。涂层完全磨损后，转移膜仍能保持摩擦副间长效润滑性能，减少材料的磨损。

为提高铁基非晶涂层的综合性能，本工作设计并制备了双非晶相铁基复合涂层(FH)，并与Fe₄₈Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂ (FM)和Fe₅₉Cr₁₂Nb₅B₂₀Si₄ (FN) 2种单一非晶相涂层的腐蚀与磨损行为进行对比研究。结果表明，FH涂层具有较高的非晶化程度和致密度，2种非晶相变形粒子分布均匀，无明显元素互扩散。在3.5%NaCl溶液中，FH涂层表现出与2种单一非晶相涂层相似的钝化行为，且具有更低的腐蚀电流密度和更高的极化电阻，耐腐蚀性能有所提高。在干摩擦磨损条件下，FH涂层的摩擦系数升高，磨损率接近耐磨性较好的FN非晶涂层，磨损机制主要为疲劳磨损。

为表征5182-O铝合金的屈服演化行为，并利用晶体塑性模拟深入理解其塑性变形特性，本工作通过单向拉伸、平面应变拉伸、剪切等实验，研究了5182-O铝合金在不同应力状态下的力学性能。首先通过逆向工程方法精确标定5182-O铝合金的硬化行为，然后利用pDrucker屈服方程解析计算对塑性变形特性进行表征。此外，采用晶体塑性有限元模拟结合代表性体积单元建模，对不同应力状态和晶粒取向条件下孔洞的演化进行分析。结果表明，5182-O铝合金的各向异性强度差异均低于1%，但不同应力状态下其最大强度差异约为8%。因此，针对由各向异性和应力状态所引起的硬化差异进行合理建模。基于非关联流动准则，pDrucker屈服函数的标定结果与实验结果间良好的一致性表明，该模型在不同加载方向上均具有较高的预测精度。晶体塑性模拟结果表明，基于累积塑性变形和归一化体积分数，应力三轴度和晶粒取向与孔洞演变密切相关。

晶体塑性模型将金属材料的塑性变形与微观组织演化相统一，为更好地理解钛合金高温复杂变形机制和预测不同应变路径下的成形极限提供了一种强有力的工具。本工作基于TA32钛合金板材的微观组织及晶体取向建立了一种考虑损伤演化的晶体塑性有限元(CPFE)模型，并通过耦合CPFE模型与M-K凹槽理论预测了TA32板材在750 ℃下的成形极限图(FLD)。结果表明，所提出的CPFE模型准确地预测了TA32板材在750 ℃不同应变速率下的宏观力学响应、微观非均匀变形和损伤演化行为。在不同应变路径下，原始板材中基面双峰织构的基面滑移系和柱面滑移系均难以被激活，导致其比横向织构更容易诱导损伤。采用CPFE-M-K耦合模型预测的FLD与实验结果吻合良好，并准确捕捉到了等双轴拉伸区域附近极限主应变降低的现象，分析表明其与材料力学性能的各向异性密切相关。此外，CPFE-M-K耦合模型中凹槽初始倾角的改变会显著影响TA32板材成形极限的预测精度，应变增量比为-0.5~0.5和0.6~1.0范围内的临界初始倾角分别为0°和90°。