利用SHPB装置研究高应变速率下TC17和TC4合金锻件的动态力学性能，并利用OM、SEM和EBSD分析两种合金的绝热剪切行为。结果表明：随着应变速率的增加，两种合金的强度均呈现出升高趋势，表现出应变速率强化效应；与TC17合金相比，TC4合金在相同应变速率下具有更大的塑性应变和动态吸收能；TC17合金经β锻造后获得网篮组织，板条状α相和残余β相形成了大量的相界面，增加了绝热剪切带（ASB）的形成位置，且ASB在扩展过程中容易出现分叉现象；TC4合金经α+β锻造后具有双态组织，等轴状初生α相具有较好的延展性，提高了合金的动态塑性变形能力，合金中排列较规则的片层状次生α相导致相界面减少，ASB的数目较少且难以分叉；在动态压缩中断条件下，TC17合金中ASB的萌生时刻早，萌生孕育能低；TC17合金的绝热剪切敏感性高于TC4合金，且两种合金的绝热剪切敏感性均随着应变速率增加而升高。

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为，对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从唯象模型和物理学模型的角度，分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较，选取Johnson-Cook模型开展进一步探究，并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类，Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高；同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向，采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解，从而提高动态本构模型的预测精度。

利用拉伸试验机研究不同应变速率对TC17和TC4钛合金锻件力学性能的影响，并利用Vickers硬度计、OM、SEM、EBSD等对两种钛合金的维氏硬度、变形组织以及断口形貌进行研究。结果表明：随着应变速率的增加，两种钛合金的强度升高而伸长率降低，均表现出正流变应力的应变速率敏感性，且应变速率敏感性系数随真应变增加呈现下降趋势；在相同应变速率下，除合金元素的固溶强化外，TC17钛合金网篮组织中板条状α相与残余β相交错排列，导致相界面多，位错容易在相界面塞积且位错运动的平均自由行程较短，合金的强度较高；另外，微孔易在相界面处大量形核，导致断口韧窝尺寸较小且数目较多，合金的塑性较差；TC4钛合金双态组织中等轴初生α相具有较好的协调变形能力，且β转变组织中的次生α相排列较为规则，导致相界面较少，降低了对位错运动的阻碍作用，韧窝尺寸较大且数目较少，合金的强度较低而塑性较好。

Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的钛合金，但其铸态强塑性不足。本研究设计思想基于Ti-6Al-4V合金双团簇成分式α-{[Al-Ti₁₂]（AlTi₂）}₁₂+β-{[Al-Ti₁₄]（V₂Ti）}₅：首先通过改变β相团簇式个数为2，使合金成分偏向α-Ti，其次增加β相团簇式中V原子个数至3，提高了β-Ti结构单元稳定性，然后用不同个数Zr（x = 1、2、3、5）替代β相团簇式中Ti，最后得到了团簇式α-{[Al-Ti₁₂]（AlTi₂）}₁₅-β-{[AlTi_14-xZr_x]V₃）}₂，设计了Ti-（6.64~6.82）Al-（2.42~2.35）V-（1.44~7.02）Zr （质量分数/%）合金，采用非自耗真空电弧炉熔炼制备合金铸锭，并用真空铜模吸铸成合金棒材，进而对不同合金样品进行显微组织表征和拉伸测试。结果表明：合金均由α'相马氏体组成，其形貌由针状魏氏逐渐转为网篮组织，其中Ti-6.64Al-2.35V-7.02Zr （Zr含量最高）合金为网篮组织，具有最佳的力学性能，屈服强度σ_YS为806 MPa，抗拉强度σ_UTS为963 MPa，伸长率δ为5.9%，相比于相同状态下Ti-6Al-4V合金，分别提高了23%、19%、51%；比强度和比硬度分别为217 kN•m/kg和0.71 GPa•cm³/g，相比于Ti-6Al-4V合金分别提高了18%和10%。

在当前的航空产业中，激光熔覆是一种理想的TC4合金部件修复和表面处理技术，在工艺方面具有优于传统金属修复技术的优势。本工作在功率2 kW下，通过不同的激光扫描速度，对合金试件表面进行激光熔覆修复加工，检测分析修复后表面的金相组织变化、电化学腐蚀性能和力学性能变化。结果表明：在激光修复过程中发生了显著的显微形貌变化；激光扫描速度为150 mm/min的修复表面耐腐蚀性能最佳； 200 mm/min的修复表面显微硬度和耐磨性能最佳。

在高能粒子撞击和级联效应作用下，金属材料内部会产生不同类型的辐照损伤缺陷。辐照损伤缺陷的聚集和演化会破坏内部结构稳定性，恶化金属材料综合力学性能。钛合金由于其轻质高强、耐高温和较低的辐照活性等优势，是很有发展前景的抗辐照材料。本文针对如何提高钛合金抗辐照损伤性能的问题，总结钛合金辐照损伤缺陷表征及其力学响应的研究进展，分析辐照损伤缺陷的形成演化规律以及辐照剂量、温度和元素种类等对缺陷迁移、聚集的影响机制，讨论辐照诱导钛合金微观组织演化，进而产生辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等辐照损伤效应，归纳评价钛合金抗辐照损伤性能，以及现有研究中缺乏有效抑制辐照损伤产生的方法，作者认为成分调控以及界面微观组织结构设计是提高钛合金抗辐照性能的有效策略。

起源于钛合金的Ti₂AlNb基合金作为一种新型高温结构材料，具有优秀的室温韧性、抗裂性能、高温强度及抗氧化性，在航空航天领域呈现出广阔的应用前景。研究Ti₂AlNb基合金的微观组织转变机制及相关动力学，对材料成分设计和加工工艺的优化以获得所需性能具有重要的意义。本文总结了Ti₂AlNb基合金中组织转变及其动力学机制的研究进展和不足，重点阐述了Ti₂AlNb基合金内B2相和O相的生长动力学研究现状，并指出Ti₂AlNb基合金在有序无序转变动力学、缺陷密度相关动力学等方面缺乏研究。未来Ti₂AlNb基合金需要结合逐渐全面的动力学研究成果来建立组织演变理论模型，从而优化合金成分及工艺，以满足更加复杂严峻的服役环境。

电子束选区熔化（selective electron beam melting，SEBM）增材制造技术在制备具有低室温塑性的金属间化合物材料方面具有独特的技术优势，采用该技术制备的TiAl合金部件已经在先进航空发动机获得成功应用。本研究以Ar气雾化的Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末为原料，采用SEBM成功制备出TiAl合金低压涡轮导向叶片模拟件，并对叶片的抗热冲击性能及随炉试棒的室温拉伸性能进行评价。结果表明：SEBM制备的TiAl合金经热处理后室温抗拉强度可达515 MPa，断后伸长率为1.13%；TiAl合金叶片模拟件经700 ℃水淬热冲击120次后结构完整，经900 ℃水淬热冲击6次后叶身部分出现垂直于径向的裂纹；结合裂纹扩展路径和裂纹断口分析，确定叶片部件在热冲击条件下失效的主要机制是表面较大粗糙度引起的应力集中。

采用TB9钛合金作为研究对象，在Gleeble-1500热模拟设备上对圆柱试样进行高温等温压缩实验，热压缩温度为750～1000 ℃，应变速率为0.01～10 s⁻¹，对获得的实验结果进行摩擦修正，并根据摩擦修正后的应力-应变曲线绘制热加工图。结果表明：摩擦修正后的应力-应变曲线明显低于修正前的曲线，且随着应变的增加，摩擦修正前后的应力差值逐渐增加；计算获得了经过摩擦修正的真应力-应变曲线$ \sigma {\text{ = }}\frac{{\arcsin h{{[\frac{{\dot \varepsilon \exp (\frac{Q}{{RT}})}}{A}]}^{\frac{1}{n}}}}}{\alpha } $，可用该式预测TB9钛合金在750～1000 ℃，不同应变速率条件下的应力。失稳变形会导致TB9钛合金产生与压缩方向呈约45°的流变局域化区域变形带，合金的组织均匀性较差；在适宜的工艺窗口内热加工，合金主要发生动态再结晶和动态回复，可以改善显微组织，提高合金的性能。根据建立的热加工图，得出了TB9 钛合金的适宜热变形工艺参数为：变形温度850～1000 ℃，应变速率0.01～1 s⁻¹。

研究TC4-DT损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding，LFW)接头的组织特征及形成机制。利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征，利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。结果表明：接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶，焊接过程中WZ温度超过β转变点，焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α；TC4-DT钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力，使得接头形成的热力影响区(TMAZ) 较窄。TMAZ内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎，焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α；毗邻TMAZ的热影响区(HAZ)基本保留了BM不同位向的α集束的组织特征，但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散，层间β消耗，初生α长大；WZ组织的细晶强化和第二相强化，TMAZ组织的应变强化和第二相强化，以及HAZ内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM。

针对TC17钛合金，研究芯棒导端角对孔结构挤压强化效果的影响，表征不同导端角工艺参数下的孔挤压强化后的表面完整性，测试原始及强化试样的高温低周疲劳寿命，分析疲劳断口的形貌特征。结果表明：芯棒导端角对挤压后表面粗糙度有显著影响，挤压过程中孔壁表层金属塑性流动不均匀导致挤压后孔壁残余应力分布不均匀，挤压出口端残余应力幅值最大，且挤压后孔壁具有一定深度的残余压应力梯度场。芯棒过盈量一定时，随着芯棒后导端角的增大，疲劳寿命增大，后导端角为8°时，强化后中值疲劳寿命增益可达1.74倍，强化效果最好，其最小循环寿命为16331 次，高于原始试样的最长循环寿命（13965 次）。强化后，不同导端角的裂纹起源均由孔壁中部多源型转变为挤压进口端单源起裂特征。

为研究孔挤压强化工艺对Ti₂AlNb合金疲劳性能的影响，建立孔强化工艺残余应力仿真分析模型，讨论了孔挤压工艺后表层残余应力分布规律和强化机理；开展孔挤压与未挤压试样的高温低周疲劳性能测试，并对比两种试样的疲劳断口显微组织特征。结果表明：孔挤压工艺能够在小孔周围产生较强的残余压应力层，该残余压应力层有效延迟和抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展，显著提升了Ti₂AlNb试件的高温低周疲劳性能。

采用电化学阳极氧化技术在含NH₄F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明：由于“卤素效应”，阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜，有效阻止了氧的内扩散，进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000 ℃氧化100 h后，阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面，阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后，合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升，但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后，表面形成了一层富铝含氟氧化膜，由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物，卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。

钛合金由于具有多样性和复杂性的固态相变特征，其组织性能关系一直都是材料科学工作者研究的热点之一。通过调整钛合金的成分配比、加工工艺以及热处理工艺参数，可以在一定范围内调整钛合金制件的组织类型与组织参数，实现强度、塑性、韧性、疲劳和疲劳裂纹扩展速率等综合性能的最佳匹配。本文在对比钛合金材料的等轴组织、双态组织、网篮组织和片层组织四种典型显微组织特征以及控制技术基础上，以航空用TC21钛合金、TC4-DT钛合金、TC32钛合金以及TB17钛合金为例综述不同显微组织特征与拉伸性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率的影响关系，为钛合金选择合适的组织参数、实现最佳的综合性能匹配和稳定批量生产提供参考依据。

采用真空自耗熔炼及锻造方法制备Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-1023）合金，利用X射线衍射、透射电子显微观察和力学性能测试等研究合金的结构稳定性以及冷轧变形合金的微观组织演变及力学行为。结果表明，Ti-1023合金的结构稳定性、微观组织和力学行为与冷轧变形及热处理密切相关。无论是单相区（833 ℃）固溶后水冷还是两相区（753 ℃）固溶后水冷，合金的应力-应变曲线均呈现“双屈服”特征。这表明单相区或两相区固溶水冷后的β相均呈现较低的结构稳定性，在应力作用下产生应力诱发α"马氏体相变，从而导致合金的“双屈服”行为。剧烈冷轧变形和应力/应变诱发α"马氏体相变均可使β相晶粒细化，同时也伴随马氏体进一步细化。由于冷轧变形引入的大量位错、晶界和相界等缺陷可作为α相的形核位置，冷轧态Ti-1023合金经550 ℃短时时效即可析出大量细小的α相，合金因此呈现良好的强度和塑性匹配。

钛及钛合金是航空、航天和国防武器装备等领域重要的轻质结构材料。钛合金较低的弹性模量赋予其优良的弹性功能特性，被应用于航空航天等领域的紧固件和弹簧等元器件。目前常用的高强钛合金弹性模量较高，不能完全满足应用需求，强度和弹性性能匹配有待进一步提高。本文综述了高强度高弹性钛合金的发展现状以及新型合金的研发进展，从高强度高弹性钛合金的特点及存在的问题出发，提出基于电子理论的成分设计和β基体结构稳定性的组织调控方法，并简要介绍本课题组基于该方法进行的高强度高弹性钛合金的研究进展，最后展望了高强度高弹性钛合金的发展方向。

本文综述北京航空材料研究院在高温合金气体雾化粉末、喷射成形高温合金、粉末冶金TiAl合金以及喷射成形高速钢等高性能金属材料雾化与成形技术研究领域的主要研究成果。北京航空材料研究院开发了高温合金粉末氩气雾化和负压雾化制备技术和装置，突破粉末氧含量、粒度和非金属夹杂物控制等技术瓶颈，制备出多种高纯、细颗粒、球状高品质的高温合金粉末，已用于先进航空发动机涡轮盘等核心热端部件的研制和生产；发展难变形合金喷射成形技术，解决雾化沉积、致密度控制、形状控制、热加工等关键技术难题，研制的高温合金和高速钢沉积坯致密度达到99.0%以上，开发出低成本高性能喷射成形高温合金和高速钢材料；通过氩气雾化TiAl合金粉末制备及热成形技术研究，获得了高纯低氧球形气雾化粉末和高性能粉末冶金板材。

碳纳米材料具有低密度、高强度、高弹性模量和优异的导电、导热性能，是改性TiAl基合金的一种理想增强相。本文综述碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料改性TiAl基合金成形及表面改性技术的研究进展，介绍材料因素和工艺条件对界面组织结构和机械性能的影响，总结碳纳米材料处理TiAl基合金的强化机理。石墨烯改性TiAl基合金制备技术是未来研究的重点发展方向，石墨烯在TiAl基合金基体中的均匀分散技术、界面反应控制和作用机理等关键问题是该技术研究领域的难点。

β钛合金具有高比强度、良好的成形性与耐腐蚀性、较宽的性能调节范围等优点，自20世纪50年代以来在多种军用/民用飞机的特定结构上取得了理想的应用效果。随着研究的不断深入，β钛合金成分-工艺-组织的关系更加清晰，性能数据库也不断完善，然而其应用领域在最近20年未获得进一步拓展。本文回顾β钛合金的发展历程及其应用，总结β钛合金的显微组织调控方法、重要工艺参数及其影响，并以目前用量最大的5种高强β钛合金（Ti-10-2-3、Ti-5553、β-21S、β-C、Ti-15-3）为例讨论工艺-组织-性能的关系。最后，从成本与性能两个方面分析β钛合金面临的挑战与机遇。具有更强工艺适应性以及更优力学性能匹配的新合金是未来成分设计的方向，材料集成计算技术将是新型高强β钛合金成分-工艺-组织-性能全流程开发的加速器。

变形和相变是钛合金材料研究的两大主题。钛合金通常需要进行一系列复杂的热机械处理，以获得与服役性能相对应的微观组织，其热变形行为是典型的热力耦合作用过程，变形和相变可能同时发生，并相互影响，是目前的研究热点之一。然而，由于热变形过程中不可避免地存在动态回复/再结晶、组织破碎/球化、大量变形缺陷、变形织构以及应力诱发相变等演化行为，加上热力耦合作用下相变动力学特征和变体选择晶体学机制的改变，直接导致钛合金热变形过程中的动态相变行为变得极为复杂，深入揭示其演变规律也变得相当困难。本文针对钛合金热变形过程中的动态相变行为，总结了钛合金变形及相变的主要特征和规律，重点从析出相形貌特征、变体选择机制和相变动力学特征三个方面介绍了钛合金热力耦合作用下动态相变规律的研究进展，并对其研究发展趋势进行了总结和展望。

利用有限宽板边缘裂纹的Wu（吴学仁）-Carlsson解析权函数，结合无裂纹应力分布的Filon解析解，计算任意跨宽比（S/W）三点弯曲梁的高精度应力强度因子（SIF）和裂纹嘴张开位移（CMOD）。基于解析权函数法给出的裂纹面幂函数分布应力下的SIF和CMOD解析表达式和表格数值，能够快速确定裂纹面在多项式应力作用下的SIF和CMOD，所得结果与文献中使用完全不同的解法给出的数据高度一致。讨论了利用解析权函数法确定黏聚断裂韧度的问题，为任意跨宽比三点弯曲梁的断裂力学分析提供了高效和高精度的解析计算方法。

采用低能球磨结合热压烧结的方法设计制备网状结构3.4%（体积分数）TiB_w/TA15（Mo，Si）钛基复合材料，对复合材料进行不同热处理，研究热处理对其组织与性能的影响。通过X射线和透射电镜表征复合材料物相变化，结合扫描电镜对材料组织变化进行分析，结果表明：添加的TiB₂原位生成TiB晶须（TiB_w）增强相分布在TA15钛合金颗粒周围形成网状结构，MoSi₂以固溶析出形式形成（Ti，Zr）₅Si₃细小增强相和Mo固溶原子分布在网状结构内部；1200 ℃固溶处理未改变TiB_w组织形貌以及复合材料网状结构特征，基体组织转变为马氏体α'，（Ti，Zr）₅Si₃增强相重新过饱和固溶；550~700 ℃时效处理后基体马氏体组织发生分解，过饱和硅元素在α/β界面和网状界面析出，随时效温度提高，针状马氏体α'逐渐转变为片层状（α + β）相，析出的硅化物数量逐渐变多尺寸变大。利用Instron-5569型万能试验机对复合材料力学性能进行测试分析，结果表明：随时效温度升高复合材料强度先升高后降低，塑性变化趋势与强度变化相反；1200 ℃/45 min固溶处理TiB_w/TA15（Mo，Si）复合材料压缩强度为1751 MPa，断裂应变为6.7%，经过1200 ℃/45 min固溶 + 600 ℃/90 min时效处理后复合材料压缩强度达到1900 MPa，断裂应变下降至3.6%。