为提高Ti基体表面TiO₂半导体膜的光电化学性能，对不锈钢实施光电化学阴极保护，本工作预先用阳极氧化法在Ti表面构筑TiO₂纳米管阵列膜，再依次通过化学气相沉积和化学浴沉积法在阵列膜表面负载类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)和Ag，获得了高性能的Ag/g-C₃N₄共敏化TiO₂纳米管复合膜光阳极。相比于TiO₂纳米管膜，经Ag/g-C₃N₄共敏化后，Ag/g-C₃N₄/TiO₂复合膜的光吸收范围扩展到可见光区，光学性能显著增强。白光照射下，复合膜在含0.2 mol/L NaOH的含50% (体积分数)乙二醇水溶液中的光电流密度达到纯TiO₂纳米膜的11倍，表现出优良的光电化学性能。Ti表面Ag/g-C₃N₄/TiO₂纳米管复合膜作为光阳极，可使403不锈钢在0.5 mol/L NaCl溶液中的电极电位相对于自腐蚀电位降低530 mV，光电化学阴极保护效应显著增强，对控制不锈钢腐蚀发挥了良好作用。

在聚变堆中的氚增殖部位，阻氚涂层可以有效阻止氚向包层结构材料扩散，避免材料退化与氚资源的损失。然而，现有涂层(如α-Al₂O₃、Er₂O₃等)在辐照等极端环境下的性能受到挑战，高熵涂层被认为是有效的解决途径。本工作采用磁控溅射方法在不同N₂流量条件下制备了(AlCrTaTiZr)N _x 涂层，并借助XRD、SEM和EDS等手段研究了涂层的晶体结构、微观形貌以及元素含量。结果表明，当未通入N₂时，溅射涂层为非晶态金属薄膜；通入N₂后形成fcc结构的氮化物薄膜。当N₂的流量比R_N = 15%时，涂层结晶效果最好，与Si基体紧密结合且致密性良好。在实验基础上构建并研究了涂层在服役条件下的氢同位素-表面相互作用问题。首先，采用第一性原理并结合特殊准随机结构(SQS)构建了H₂分子在(AlCrTaTiZr)N (001)面的吸附模型；随后，计算了不同位点和吸附方式的吸附能，并分析了不同H₂覆盖度下稳定吸附对涂层力学性能的影响。结果表明，H₂在涂层表面的吸附属于物理吸附。垂直吸附的Hollow位是最稳定的吸附位，且CrTaTiZr构成的Hollow位最为稳定。吸附后(AlCrTaTiZr)N涂层的体积模量(B)、剪切模量(G)、Young's模量(E)、Poisson比(\nu)和B / G均略有下降，表明H₂的吸附导致涂层的强度、硬度以及延展性下降。

为探究O含量对经双步热处理后Ti2448合金时效析出行为及力学性能的影响，选取2种不同O含量的Ti2448合金(LO：0.08%和HO：0.33%，质量分数)为研究对象，分别采用873和923 K退火10 min + 773 K时效1~4 h的热处理工艺，通过XRD、SEM、TEM和拉伸性能测试等方法，研究合金的组织演化行为和力学性能变化。结果表明，O含量对热处理前合金的相组成与晶粒尺寸影响较小，但提高O含量能抑制合金的双屈服特征并提升合金强度与弹性模量。经双步热处理后，2种O含量合金均析出致密的片层状析出相，伴有模量硬化与时效强化；O含量对析出相的初始厚度影响较小，但影响析出相在后续时效过程的粗化行为。相同热处理制度下，Ti2448-HO合金析出相的体积分数更高，进而贡献更强的模量硬化与时效强化，因此时效态Ti2448-HO合金具有更高的弹性模量与强度。

含长周期堆垛有序(LPSO)结构的Mg-Y-Zn系合金具有优异的力学性能，但LPSO相含量对挤压态镁合金耐腐蚀性能的影响尚不清楚。本工作通过控制Zn和Y含量来调控LPSO相含量，研究挤压态Mg-Y-Zn-Mn合金的耐腐蚀性能，揭示LPSO相含量及其形态对挤压态镁合金耐腐蚀性能的影响规律；系统地研究了具有不同含量LPSO相的挤压态Mg-xY-yZn-0.1Mn (x = 2、4、8，质量分数，%；x / y = 2)合金的微观组织和耐腐蚀性能。结果表明，LPSO相含量随Zn、Y含量的增加而增多，其中Zn、Y含量最少的Mg-2Y-1Zn-0.1Mn (WZ21M)合金中的LPSO相为细小块状；Zn、Y含量较多的Mg-4Y-2Zn-0.1Mn (WZ42M)中的LPSO相沿挤压方向呈流线分布；Mg-8Y-4Zn-0.1Mn (WZ84M)合金中LPSO相最多，也呈流线分布，但其相邻LPSO相的间距明显减小。在3.5%NaCl溶液中的腐蚀实验结果表明，3种合金的耐腐蚀性能顺序是：WZ84M < WZ42M < WZ21M，LPSO相含量最多的WZ84M合金表现出最差的耐腐蚀性能，这主要归因于大量的LPSO相增强了微电偶效应，而流线分布的LPSO相不能有效阻碍腐蚀扩展。

为了探明堆垛层错能对CrMnFeCoNi系高熵合金动态力学响应行为的影响，本工作以具有不同堆垛层错能的等比例CrMnFeCoNi (35 mJ/m²)和非等比例Cr₂₆Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₁₄ (23 mJ/m²)高熵合金为研究对象，通过准静态和动态压缩性能测试，对比研究了不同堆垛层错能CrMnFeCoNi系高熵合金的动态力学性能特点；利用EBSD和TEM技术观察分析了变形组织，研究了不同堆垛层错能高熵合金的变形机制。结果表明，动态压缩条件下，CrMnFeCoNi和Cr₂₆Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₁₄高熵合金均表现出显著的应变率强化效应；准静态、动态压缩条件下，合金的流变应力、加工硬化指数和吸能能力均随着堆垛层错能的降低而增加。准静态变形时，CrMnFeCoNi高熵合金变形以位错滑移为主；Cr₂₆Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₁₄高熵合金以位错滑移和孪生为主。动态压缩变形时，孪生行为对变形的贡献增加，CrMnFeCoNi高熵合金的变形模式主要为位错滑移和孪生；堆垛层错能更低的Cr₂₆Mn₂₀Fe₂₀Co₂₀Ni₁₄高熵合金在动态变形过程中除了位错滑移和孪生，还发生了孪晶交互作用与fcc-hcp相变以协调变形，该合金表现出更高的流变应力、加工硬化指数和吸能能力。可见，堆垛层错能的变化通过影响变形模式实现高熵合金动态力学性能的提升。

GH4169材料广泛应用于航空航天、核电和石油化工等领域，传统加工方式难以满足复杂结构零件的高性能及快速制造需求，选区激光熔化(SLM)提供了一种新的制造方法。SLM成型过程中的高温度梯度和高冷却速率与传统制造方法显著不同，有必要对热处理后SLM成型GH4169高温合金的微观组织演变和力学性能进行研究。本工作采用SLM技术制备GH4169高温合金，分析讨论了打印态以及直接时效和固溶时效热处理后GH4169高温合金的微观组织和力学性能，通过不同热处理状态合金的相结构分析，建立显微组织与力学性能的构效关系。结果表明，打印态合金组织主要以γ基体和Laves相为主；直接时效后基体内部有γ′/γ″相析出；固溶时效后Laves相发生溶解，有大量尺寸小于1 μm的δ相析出，并均匀分布在晶内和晶界，基体内部γ′/γ″相分布更加均匀。SLM成型GH4169高温合金的显微硬度为311 HV，室温抗拉强度为961 MPa，屈服强度为649 MPa。热处理后，合金的硬度和强度均显著提升，其中固溶时效态合金的显微硬度为518 HV，室温抗拉强度为1393 MPa，屈服强度为1233 MPa，高于对应的锻件材料。550、650和750 ℃高温拉伸性能结果表明，热处理态样品在650 ℃的高温强度满足相应锻件标准。由于SLM成型过程中的温度梯度大、冷却速率高，制备的GH4169试样具有精细的胞状和柱状枝晶结构，晶粒尺寸小，位错密度高，热处理后有γ′/γ″强化相析出，由细晶强化、位错强化和沉淀强化作用机制共同提高了GH4169高温合金的力学性能。

难变形镍基高温合金GH4975具有高的裂纹敏感性，采用增材制造工艺成型时易出现裂纹。本工作采用加入TiC作为异质形核剂、热等静压和热压缩等方法研究了增材制造难变形高温合金GH4975裂纹愈合的方法及其机制。结果表明，添加纳米TiC颗粒后，GH4975合金的平均晶粒尺寸从41.9 μm降低至27.2 μm，晶粒明显细化，但裂纹并未得到有效消除。通过热等静压工艺可以消除部分裂纹，但宽度大于3 μm的微裂纹未得到有效消除。在1200 ℃、变形速率0.1 s^-1和变形量30%的热压缩条件下，可基本消除打印态试样中心的裂纹，但已进行过热等静压处理的试样在热压缩时的裂纹愈合能力下降。裂纹愈合的机制是在外加压力下基体的塑性流动和Al元素向裂纹的扩散填充。

针对货油舱用船板钢(T8钢)的微电偶腐蚀加速问题，本工作在不添加合金元素的基础上采用形变球化工艺调控微观组织以改善其综合性能。通过调整锻造和热处理工艺参数获得了回火索氏体的预期组织，采用SEM和EBSD对比了工艺优化前后的微观组织特征，并通过显微硬度、拉伸实验和断口形貌分析等揭示了显微组织对力学性能的影响机制，同时采用失重实验、电化学测试和产物物相分析与形貌表征等方法对优化前后T8钢的腐蚀机制进行了分析。结果表明，采用形变球化工艺获得的回火索氏体组织通过细晶强化、位错强化和弥散强化机制，实现了T8钢强度和塑韧性的综合优化。通过组织调控来改变渗碳体析出相的形貌和尺寸，将大片层状渗碳体转变为细颗粒状渗碳体，抑制了腐蚀过程中渗碳体阴极相在表面的持续累积，有效减弱了微电偶腐蚀加速作用，显著提高了T8钢在模拟货油舱底板环境中的耐腐蚀性能。

为了深入探究高强钢的疲劳性能，本工作研究了合金成分为Fe-22Mn-3Al-0.6C的第三代孪晶诱导塑性(TWIP)钢的低周疲劳行为，重点分析了晶粒尺寸对循环应力响应、损伤机制和疲劳寿命的影响。综合考虑应变、应力对疲劳损伤的贡献，本工作从能量的角度评价TWIP钢的低周疲劳性能。结果表明，在低总应变幅(Δε / 2 = 0.3%)下，小尺寸晶粒(8 μm) TWIP钢表现出更好的低周疲劳性能；而在高总应变幅(Δε / 2 = 1.0%)下，大尺寸晶粒(60 μm) TWIP钢表现出更好的低周疲劳性能。通过滞回能模型分析，发现在较高总应变幅下，材料的疲劳机制由应变损伤主导，粗晶材料具有更好的容纳损伤缺陷的能力；而在较低总应变幅下，材料的疲劳机制由应力损伤主导，细晶材料强度更高，具有更优异的抵抗裂纹萌生能力。

高氮奥氏体不锈钢凭借良好的综合性能和绿色、价廉等特点成为钢铁行业的重要材料。然而，其室温屈服强度较低，难以满足大载荷应用需求，亟待开发具有高强度和良好塑性的高氮奥氏体不锈钢。本工作以名义成分为Fe-18.87Cr-10.09Mn-1.12Ni-0.53N-0.18Si-0.04C (质量分数，%)的高氮奥氏体不锈钢作为研究对象，在液氮温度下对其施加压下量为10%的深冷轧制工艺，获得了屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为947 MPa、1051 MPa和36%的优异综合力学性能。此结果与由冷轧和退火相结合的传统热机械加工工艺制备的钢铁材料的最优强塑性相当。经深冷轧制得到的材料屈服强度显著提升，是固溶态钢的1.86倍。这主要得益于深冷轧制过程中引入的密集位错亚结构以及由ε-马氏体板条、形变孪晶和具有局部化学有序的板条结构组成的密集片层组织，诱发多种强化机制的协同作用。此外，该材料还保持了良好的均匀延伸率和加工硬化能力，这归因于在塑性变形过程中发生了位错滑移和显著的孪晶诱导塑性效应。本工作证实深冷轧制技术在高氮奥氏体不锈钢的制备和生产过程中具有节约成本、简化工艺和提高效率等显著优势。

为合理控制板坯结晶器内的Ar气泡运动分布，提高气泡对夹杂物的去除效率和减少凝固坯壳对气泡的捕获，本工作针对800 mm ×1300 mm × 230 mm的结晶器建立了气泡碰撞-聚合-破碎-捕获模型，分析了拉速、吹Ar量、水口倾角、水口浸入深度对气泡运动、分布和气泡被凝固坯壳捕获的规律。结果表明，大气泡主要在水口附近上浮，中等尺寸气泡在远离水口区域上浮，多数小气泡在窄面附近上浮，少数小气泡会运动到结晶器深处被凝固坯壳捕获，造成铸坯质量缺陷。水口浸入深度主要影响气泡的分布，吹Ar量和水口倾角主要影响气泡直径及气泡数量，拉速对气泡的分布和气泡数量及气泡直径都有影响。对于1300 mm × 230 mm的铸坯，1.4 m/min拉速、10 L/min吹Ar量、-15°水口倾角和180 mm水口浸入深度可使气泡在结晶器内具有较好的弥散分布特性，有利于去除夹杂物，提高钢液纯净度，减少凝固坯壳对气泡的捕获，提高板坯质量。

仅依靠实验方法难以细致表征镍基单晶高温合金服役过程中外加应力对显微组织影响的动态过程，利用计算模拟手段研究外加应力对单晶高温合金中γ'相筏化的影响具有明显优势。本工作依据外加应力类型判断γ基体内所开动的滑移系情况并计算其本征塑性应变，模拟了外加应力下镍基单晶高温合金中γ'相筏化组织的形成过程，并对镍基单晶高温合金筏化过程的微观组织演变规律进行了研究，重点考察了蠕变初期γ相通道内塑性应变对筏化组织形成的影响。结果表明，外加正应力载荷下产生的塑性应变使得γ'相沿特定方向择优生长，是发生γ'相筏化的主要原因，且晶格间错配度直接决定了其筏化类型(N型与P型)；γ'/γ界面(如{001}面)上的位错间距显著影响γ'相的形貌(长(宽)-高比)，但并不影响γ'相的生长动力学及相同演化时间步下γ'相的体积；与外加正应力不同，外加剪切应力载荷时，筏化组织的粗化方向与水平方向约呈30°或60°夹角，这与激活的滑移系密切相关。此外，不同组合的滑移系可使得γ通道发生扭折现象。

鉴于均匀形核在快速凝固晶粒细化中的重要作用，本工作选取液态金属Al为研究对象，采用团簇类型指数法，通过对团簇结构遗传性的逆向追踪，研究了Al液滴在等温结晶过程中的形核特征。结果表明，在过冷度ΔT ≈ 0.41T_m (T_m为熔点)下，形核首先出现在液滴表层，并且其稳态形核率(I₀)与临界晶核平均尺寸({\overline{n}}_{\mathrm{c}})均比芯部大。可视化分析显示，临界晶核几何构型为非球形，液/固界面为fcc-液态/hcp多相结构。与Al液体相比，Al液滴的平均形核孕育时间({\overline{\tau }}_{\mathrm{c}})较长，而液滴表层的{\overline{\tau }}_{\mathrm{c}}又比液滴芯部长，但液滴和液体都呈现出晶胚平均有效生长时间({\overline{\tau }}_{\mathrm{g}}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}})远大于晶胚平均孕育时间({\overline{\tau }}_{\mathrm{e}})的特点。比较液滴的不同形核模式发现，直接从液态原子转化成fcc临界晶核数量(q_{\mathrm{c}})很少，大多经历晶胚孕育和有效生长。由此形成的{\overline{n}}_{\mathrm{c}}最大，且晶胚孕育时间(τ_e)对{\overline{n}}_{\mathrm{c}}影响很小，但{\overline{n}}_{\mathrm{c}}越大，晶胚所需有效生长时间({\tau }_{\mathrm{g}}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}})越长。

Gd及其合金是良好的磁性材料，向Gd-Ti合金中加入过渡族元素Co可形成热稳定磁性化合物，Gd-Co-Ti合金在磁性原位复合材料研发方面具有较好的前景。但Gd-Co-Ti是偏晶合金，常规凝固条件下易形成偏析组织，其凝固特性研究极为困难。本工作在落管微重力条件下对Gd-Co-Ti合金开展了凝固实验，获得了富TiCo相以近球形颗粒形式均匀分布于Gd基体中的球形合金样品。建立了Gd-Co-Ti合金的凝固理论模型，模拟分析了落管微重力条件下Gd-Co-Ti合金凝固组织演变过程，研究了样品尺寸(冷却速率)对凝固组织的影响。结果表明，富TiCo相液滴仅在液-液相区间内形核，在液-液-固三相区间内未发生富TiCo相液滴的形核现象；除表面区域外，富TiCo相液滴的Ostwald熟化作用较弱；合金样品尺寸越大，冷却速率越小，凝固组织中富TiCo相粒子的数密度越低，平均尺寸越大，富TiCo相液滴的最大形核率(I_DMax)和凝固后富TiCo相粒子的数密度(N_D)与形核阶段熔体冷却速率({\dot{T}}_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{c}})分别满足指数关系I_{\mathrm{D}\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}} = 7.202 × 10^-5{\left({\dot{T}}_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{c}}\right)}^{\mathrm{2.2}}和N_{\mathrm{D}} = 3.385 × 10^-4{\left({\dot{T}}_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{c}}\right)}^{\mathrm{1.3}}。