摘要: Al-Ti-B-RE细化剂能够提升细化剂的综合性能，是目前最有研发价值和最有潜力的铝用晶粒细化剂之一。采用常规搅拌工艺存在比重偏析，影响晶粒细化效果及铝合金的整体性能。本研究首先通过中国知网和爱思唯尔学术平台分析Al-Ti-B细化剂的研究现状，并进一步分析混合熔融法、氟盐反应法、超声搅拌法、电磁振动法等制备工艺的优缺点，以及不同稀土、不同配比、以及细化剂中毒的内在机理。结果表明，可以采取超声搅拌法、电磁振动法等动态合成技术，并考虑微量元素在Al-Ti-B细化剂中的配比，以获取更小晶粒和更好力学性能的Al-Ti-B-RE细化剂。

摘要: 采用真空热压法原位形成强化相Al2O3，制备出Al2O3颗粒增强Ti2AlN基复合材料。本文采用金相显微镜，扫描电镜，透射电镜分析了热压态复合材料的微观组织，采用x-射线衍射分析(XRD)分析了热压态复合材料的相组成。制备的Al2O3/Ti2AlN复合材料由热力学稳定的α-Al2O3相和Ti2AlN相组成，其中Al2O3颗粒弥散分布在连续的Ti2AlN基体里。Al2O3相的体积分数为40% ± 5%，呈等轴状，颗粒尺寸分布在500 nm~2 μm之间，平均为1 μm左右。Ti2AlN相晶粒为盘状，厚度大约是100 nm，长度在0.5~2 μm之间，平均几何尺寸0.3 μm左右。

将钛粉、铝粉、石墨粉和少量锡粉混合，用原位烧结技术宏量制备高纯度前驱体材料Ti3AlC2，再以浓氢氟酸为刻蚀剂进行选择性刻蚀，改变刻蚀时间宏量制备出层间距可调节的层状剥离Ti3C2。使用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分别表征了Ti3AlC2和Ti3C2的结构和层间距微观形貌，并对用Ti3C2制成的电极进行了电化学性能测试分析。结果表明，相比其它在相同条件下制备的电极其比容量大幅度提高，且具有良好的超级电容性能。

用激冷铸造法制备Al-5.5Mg-0.25Sc-0.04Ti合金，研究了在不同温度退火后其硬度随时间的变化，并用金相显微镜(OM)和透射电镜(TEM)研究了这种合金中Al3(Scx,Ti1-x)第二相粒子的存在形式和形成机制。结果表明：用急冷铸造法制备的Al-5.5Mg-0.25Sc-0.04Ti铸态合金中Sc和Ti原子主要以固溶的形式存在于α(Al)基体中，在电镜下很难观察到这些粒子。铸态合金在较低温度(低于250℃)下退火时其硬度提高得比较慢，退火较长时间才能出现硬度的峰值；而在比较高的温度(高于350℃)退火硬度提高得非常快，很快出现峰值。但是，硬度出现峰值后继续退火则大幅度降低；在300℃退火硬度的热稳定性比较高。硬度的变化，与次生Al3(Scx,Ti1-x)粒子的析出密切相关。在较低温度下次生Al3(Scx,Ti1-x)粒子的析出不充分且粒径较小，对晶界、亚晶界和位错的钉扎作用较弱；而在过高的温度下Al3(Scx,Ti1-x)粒子发生粗化，使合金的性能降低。

在Ti40Zr10Cu36Pd14非晶合金基体中微添加β-Ti相稳定化元素Mo，使体系在凝固过程中原位析出塑性β-Ti相，制备出原位自生β-Ti相增强Ti基非晶复合材料。在这种复合材料的变形过程中塑性β-Ti相阻碍基体中主剪切带的扩展，使其发生偏转和增殖生成多重剪切带，使其室温力学性能显著提高。其中(Ti0.4Zr0.1Cu0.36Pd0.14)95Mo5试样的室温强度达到2630 MPa，塑性应变达到7.3%，比基体分别提高了32.0%和508%。

采用电弧离子镀在Ti65钛合金板材表面涂覆一种NiCrAlSiY涂层，并对其进行650℃~800℃的循环氧化实验，研究了这种涂层对板材抗氧化性能和室温力学性能的影响。结果表明，经500次循环氧化后涂覆NiCrAlSiY涂层的Ti65板材由涂层、扩散层和基材区三个区域组成，涂层与板材的结合界面比较致密，达到了完全抗氧化级别；涂层表面的氧化物以Al2O3为主，循环氧化温度升高到800℃在涂层表面开始出现TiO2氧化物。在循环氧化过程中涂层与板材间的元素扩散以Ni和Ti元素为主，循环氧化温度升高到800℃发生少量Cr元素扩散；Ni与Ti元素的互扩散导致在涂层与板材的结合界面生成了Ti2Ni和TiNi。循环氧化后的板材其拉伸强度保持率高于90%，涂覆涂层板材的拉伸延伸率可达初始态板材延伸率的30%左右。供货态板材氧化后塑性较低的原因，可能是在高温下氧元素渗入板材表面产生了表面脆性。

使用石墨作为固体润滑剂、硅酸钠为粘结剂、二氧化硅为填料、去离子水为分散介质，用浆料法在Ti-6Al-4V钛合金表面制备石墨基粘结固体润滑涂层。用球盘式摩擦磨损试验机测试这种涂层在500~800℃的摩擦学性能，使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线光电子能谱仪(XPS)等手段分析其物相、显微组织结构、元素组成及其化学态，研究了这种涂层的润滑机理。结果表明：这种石墨基粘结固体润滑涂层在600~700℃的摩擦学性能优异，在660℃其摩擦系数(0.03)和磨损率(0.953×10-4 mm3/(N·m))最低。涂层中的熔融硅酸钠与SiO2的协同润滑作用降低了石墨的热损失，在摩擦界面上生成的易剪切的粘性成分减少了摩擦磨损；在摩擦过程中，石墨通过层间剪切和吸附气体产生了良好的润滑性能，SiO2增强了涂层的承载能力和涂层与基体之间的粘结强度，使涂层的耐磨性能提高。

设计并用真空铜模吸铸制备了近α型双相Ti-Al-V-Mo-Nb-Zr合金系列，其成分框架满足Ti-6Al-4V的α+β双相团簇式，即α和β相团簇式的比例为12:5。同时，通过多元合金化尤其是改变Zr含量，可将后者改造成具有更高β稳定性的形式[Al-Ti14-x Zr x ](Mo0.6Nb0.2V1.2Al)，x=0.6~3。这些合金的铸态组织其特征为网篮状，并含有大量针状α'马氏体。随着Zr含量的提高这些合金的晶粒细化，其强度和硬度也随之提高，Zr含量最高的Ti-6.7Al-2.2V-2.1Mo-0.7Nb-10.0Zr合金达到超高强水平，其铸态的拉伸强度为1404 MPa，维氏硬度为451HV，与热处理后的典型超高强钛合金β-21S的性能接近，与在相同条件下制备的Ti-6Al-4V相比其强度和硬度分别提高52%和39%，比强度和比硬度分别提高45%和33%。

用磁控溅射方法制备了低粘结TaO与低摩擦系数WS复合的TiAlTaN/TaO/WS复合涂层。该涂层由Ti过渡层、TiAlTaN耐磨层、TaO低粘结层和低摩擦系数WS层组成。涂层复合使表面形貌从多边形变为球形，但是不影响原涂层的相组成和柱状晶组织。复合涂层使原涂层的硬度和弹性模量降低，但是使摩擦系数从0.648降低到0.102。低摩擦系数复合涂层的润滑性能使切削钛合金的效率提高了84%，比商用涂层提高33%。

用渗流法制备TiZr基非晶/TC21钛合金双层复合材料，并对其微观组织和力学性能进行深入的研究。结果表明，TiZr基非晶(ZT3, Ti32.8Zr30.2Ni5.3Cu9Be22.7)合金熔体与TC21钛合金之间的界面结合良好且有良好的润湿性。制备温度对双层复合材料的微观结构和力学性能有极大的影响。随着制备温度的提高，界面层的厚度和TC21钛合金的溶解量增加，非晶基体中枝晶相的体积分数增大、晶粒粗化。这种双层复合材料的强度随着温度的提高而降低，在室温下具有良好的弯曲塑性，其弯曲强度达到2177 MPa、动态压缩强度达到1326 MPa。

用激光熔覆工艺在40Cr钢表面制备CoCrFeNiTi x (x=0、0.2、0.5、0.8)高熵合金涂层并计算其热力学参数，使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度仪、摩擦磨损试验机等手段检测合金的物相组成、组织、元素分布、硬度及耐磨性，研究了Ti元素含量对其显微组织和耐磨性能的影响。结果表明：随着Ti元素含量的提高，合金物相在面心立方(FCC)结构的基础上形成了体心立方(BCC)结构，熔覆层中部的组织由晶界明显、晶粒分布均匀的等轴晶组成，最后形成了柱状树枝晶；随着Ti元素含量的提高，合金横截面的硬度逐渐提高，最高为412.32 HV0.2，比基体的硬度提高了1.8倍；涂层的磨损量和摩擦系数均随之降低，Ti含量为0.8时涂层其耐磨性能最优，磨损量最小为6.8 mg，摩擦系数为0.35。涂层的磨损机制，以磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损为主。

用真空感应熔炼惰性气体雾化法(Vacuum induction melting inert gas atomization, VIGA)制备预合金粉末，然后用热等静压(Hot isostatic pressing, HIP)工艺制备粉末冶金Inconel 718板材。用钨极惰性气体保护焊(Tungstun inert gas arc welding, TIG)将板材连接并进行焊后固溶时效、均匀化和热等静压处理。用SEM和EBSD表征焊接接头的组织并测试接头区域的显微硬度，研究了焊后热处理对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，母材为细小的等轴晶，晶粒尺寸约为28 μm，拉伸强度接近对同牌号变形高温合金的要求。在粉末冶金Inconel 718合金的接头处未观察到宏观气孔和夹杂等焊接缺陷，热处理后接头的强度与母材的性能相当。均匀化处理后Laves相基本上溶解了，组织均匀、塑性明显提高；热等静压处理可消除焊接后板材的显微孔洞，使力学性能的稳定性提高。在拉伸过程中合金的焊接接头优先在Laves相与基体的界面产生微气孔，其聚集产生微裂纹并最终发生断裂。

研究了中温热处理后Ti65合金中淬火马氏体相的分解及其对室温拉伸性能的影响。结果表明：在800℃/10 min热处理后Ti65合金中淬火马氏体相(α'相)内的β稳定元素向界面扩散，分解为α+β相；随着保温时间的延长，β相的形貌由不规则状转变为不同长宽比的棒状。热处理温度的提高，分解产物显著粗化。随着中温热处理温度升高或保温时间的延长，室温拉伸强度呈现快速降低、保持稳定和慢速降低三个阶段。强度快速降低的原因是，马氏体相分解使缺陷和界面密度降低，导致固溶和界面强化效果减弱；马氏体相完全分解后，α板条粗化导致的强度降低和α2相弥散度的提高使强度提高，其综合作用使强度保持相对稳定；中温热处理温度提高到α2相析出温度以上时，强度随着α板条厚度的增加缓慢降低。

施加脉冲电流进行Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb(原子分数,%)合金的定向凝固并结合仿真实验,研究了脉冲电流对其凝固组织和性能的影响。结果表明：随着频率为200 Hz的脉冲电流密度的增大电流集肤效应增强、熔体内电流集肤效应加重。在集肤层电流焦耳热效应的作用下糊状区侧向散热的热流密度降低,使枝晶的平均偏离角减小,从而使合金的断后延伸率增大。脉冲电流密度较小时,在焦耳热效应和电磁搅拌的作用下熔体中枝晶的重熔和破碎使柱状晶晶粒的径向尺寸减小。但是,过量的焦耳热使熔区的长度增大、温度梯度减小,反而使晶粒的径向尺寸增大。因此随着电流密度的增大TiAl合金的抗拉强度先提高后降低,施加频率为200 Hz、电流密度为35.3 mA/mm的脉冲电流TiAl合金的抗拉强度最大,比母合金铸锭的抗拉强度提高了70.7%。电流密度为52.9 mA/mm时延伸率达到最大值,比母合金锭的延伸率提高了129.5%。

通过超声辅助和低温热处理在二维Ti3C2Tx 纳米片层间原位生长SnO2纳米颗粒,制备出纳米结构的SnO2@Ti3C2Tx 复合材料。使用X射线衍射、X射线光电子能谱和高分辨透射电子显微镜等手段对其表征,研究了这种材料的结构和性能。结果表明,SnO2纳米粒子密集分布在Ti3C2Tx 片层表面与片层之间,Ti3C2Tx 纳米薄片突出的限制效应和良好的类石墨层状结构抑制了SnO2纳米粒子的体积膨胀和团聚,加速了锂离子和电子的跃迁。同时,嵌入在片层之间的SnO2纳米粒子防止纳米片层在锂插入/脱出过程中重新堆积,使Ti3C2Tx 基体的纵向结构稳定性提高。SnO2@Ti3C2Tx 复合材料两组分之间的协同效应,使其具有良好的倍率性能与长循环性能。

用水热法合成了不同长径比的钛酸钡纳米线(BaTiO3 nanowires (BTN)),用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)调节其表面化学能和静电力(标记为P-BTN)。将P-BTN加入聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)基体中制备出P-BTN含量(质量分数)为10%的介电复合材料P-BTN/PMIA。研究了合成温度对BTN长径比的影响、P-BTN对P-BTN/PMIA复合材料介电性能和电学性能的影响以及P-BTN/PMIA复合材料在不同温度下的介电性能和电学性能。结果表明：随着BTN合成温度的提高其长径比明显增大,从130℃时的7.2增大到250℃时的46；随着PMIA复合材料中P-BTN长径比的增大其介电常数从6.6增大到9.8,其介电损耗在整个频率范围内小于0.025并保持了良好的绝缘性能；在-20℃-200℃复合材料P-BTN-250-10介电常数和介电损耗保持稳定。高长径比的BTN更利于提高耐高温聚合物基复合材料的介电常数,进而提高其储能密度。

对高Nb-TiAl合金进行多步热压缩,研究其高温变形行为及其板材的性能。结果表明,热压缩变形后高Nb-TiAl合金的组织中等轴γ晶粒和α晶粒的增多、层片晶团的体积分数和尺寸降低,使其变形能力提高。根据这些结果确定了最优轧制工艺为应变速率低于0.5 s-1、道次变形量前期应不高于25%、变形温度高于1150℃。选用上述工艺对其其进行5道次大变形量轧制,制备出表面质量良好、无缺陷的高Nb-TiAl合金板材,其尺寸为600 mm×85 mm×3 mm。这种板材具有双态组织,平均晶粒尺寸小于5 μm,其室温屈服强度、抗拉强度和塑性分别为948 MPa、1084 MPa和0.94%,800℃下抗拉强度为758 MPa。

使用铜模铸造法制备(Ti45.7Zr33Ni3Cu5.8Be12.5)(1-0.01x)Nb x (x=0、2、4、6、8和10,记为Nb0、Nb2、Nb4、Nb6、Nb8和Nb10)的TiZr基非晶合金复合材料,研究了添加Nb元素对TiZr基非晶复合材料性能的影响。结果表明,Nb元素含量的提高使材料中β相的晶粒尺寸更大、体积分数提高和形变诱发马氏体相变受到抑制。Nb元素的添加,使这种非晶复合材料的塑性大大提高,而屈服强度降低。值得注意的是,Nb元素的添加还提高了非晶复合材料力学性能的可重复性。在Nb0~Nb4等具有形变诱发相变的非晶复合材料生成的小板条α''马氏体,能诱导多重剪切带的生成。在Nb6~Nb10这种未发生形变诱发相变行为的非晶复合材料中,大量位错在β相中产生并在界面处积累形成位错台阶,从而引发多重剪切带的形成,最终使非晶复合材料的塑性提高。

研究了固溶+单级时效处理、固溶+双级时效处理、固溶+随炉冷却处理对新型亚稳β钛合金Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr的显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：与固溶+单级时效处理相比，固溶+双级时效处理析出的晶内次生α相间距减小和体积分数增大而使合金的强度提高。两种热处理都使合金中生成连续的晶界α相，导致合金的塑性降低；与上述两种热处理相比，固溶+随炉冷却处理使合金中析出的晶内次生α相的间距明显减小且沿晶界生成向晶内生长的αwgb相，使合金的强度和塑性显著提高，其抗拉强度达到1421 MPa，断后伸长率为7.7%；与次生α相的体积分数相比，其间距是影响合金强度的主要因素。随着次生α相间距的减小，合金的强度提高。

研究了固溶温度对一种亚稳β钛合金(Ti-4Al-6Mo-2V-5Cr-2Zr)的锻态组织和室温拉伸性能的影响。结果表明，固溶温度低于相变点时大量的α相在β基体中析出并聚集在滑移带附近，随着固溶温度接近相变点α相的数量减少且部分滑移带消失。固溶温度高于相变点时显微组织为单一的β相且滑移带完全消失，随着固溶温度继续升高β晶粒聚集且长大。这种合金经750℃×1 h固溶处理后达到良好的强度塑性匹配，气抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为957 MPa、887 MPa和11.7%。