熔模精铸大型复杂厚壁钛合金机匣是重型燃气轮机的核心部件之一，该铸件具有轮廓高、壁厚大和形状复杂等特征，存在整体成形困难、缩松缩孔缺陷多、尺寸精度低等难题，限制了高功率燃气轮机的装配和使用。本工作采用ProCAST软件开展了离心铸造过程凝固温度场和流场研究，通过分析模拟结果确定了潜在的孤立液相区范围，根据离心铸造特性推导出用于设计螺旋形横浇道和倾斜冒口的数学模型，基于此构建了集合排气集渣、调节流量和优化温度场的一体化浇注系统结构，能够有效降低凝固缺陷。进一步，开发了蜡模分体拼接方案，同时构筑了直浇道、横浇道、内浇道截面积比例为1∶2.5∶6的浇注系统蜡模树组，结合尺寸定型和型壳加固工装，最终获得了充填完整、冶金质量良好和尺寸精确的优质铸件。为重型燃气轮机的钛合金机匣规模化制造提供了有效的技术指导，其浇注系统构型对于其他大型复杂厚壁钛合金铸件也有一定参考价值。

以β-Ti为研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法，用V原子取代Ti原子构建不同V含量的Ti-V系模型，对其力学性能及电子结构进行计算。计算结果表明：V原子的添加会降低β-Ti的弹性常数和弹性模量，并提升体系的塑韧性，这是由于在形成Ti-V体系时，两种原子均失去电子，体系的电子活跃程度增加，类金属键的键性增强，塑韧性得到提升。此外Ti和V原子的3d轨道主要参与成键，这是导致塑韧性提升的关键原因。同时还有部分电子聚集在两种原子周围，且具备一定的方向性，说明体系内部也有共价键存在，共价键的存在是提升体系机械稳定性的关键所在。

采用SEM、拉伸试验和持久实验等手段探究了热处理对一种高硼Ni₃Al基高温合金组织及力学性能的影响。结果表明，固溶温度由1080 ℃升高至1150 ℃时，枝晶干γ'相的体积分数逐渐降低，形态逐渐由块状向球形转变，γ通道内部析出了细小的三次γ'相。温度由1080 ℃升至1120 ℃时，骨架状一次硼化物部分回溶，颗粒状二次硼化物析出，且随着温度升高，二次硼化物析出倾向增大，温度升至1150 ℃固溶时硼化物完全回溶。经900 ℃×10 h时效后，1080 ℃固溶的合金在800 ℃拉伸时具有900 MPa的极限抗拉强度，在800 ℃/580 MPa具有144.5 h的持久寿命，综合力学性能最优，因此试验合金的最佳热处理工艺为1080 ℃×4 h→空冷+900 ℃×10 h→空冷。

采用等通道双转角挤压（equal channel dual angle pressing, ECDAP）大塑性变形工艺制备N36锆合金试样，并进行退火和时效处理。使用OM观察了初始显微组织，使用SEM及TEM分析了沉淀相种类及形貌特征。结合价电子密度差与抗拉强度，分析了时效处理后α-Zr基体与（Zr, Nb）₂Fe沉淀相界面的键合机制，探究了（Zr, Nb）₂Fe颗粒析出行为对ECDAP工艺制备N36锆合金组织及性能的影响。结果表明：ECDAP工艺可以显著细化晶粒，并促进N36锆合金中沉淀相的均匀分布。析出相主要由Zr（Nb, Fe）₂和（Zr, Nb）₂Fe组成，并有大量的内部条纹位错。α-Zr基体与（Zr, Nb）₂Fe沉淀相界面处的价电子密度差为91.02%，晶格失配导致界面位错运动阻力增大，不稳定性提高，易产生相对运动并引发层错。界面位错可能诱导基体位错移动以满足变形需要。4和8 h时效后N36锆合金抗拉强度增幅分别达到2.14%和10.36%，这是由于沉淀相与基体间的强电子不连续性导致的第二相强化增加。

采用SEM、EBSD研究了不同热处理工艺、不同合金状态以及去应力退火工艺对4777DS合金再结晶缺陷的影响。合金不同热处理温度下保温后观察再结晶的情况表明：合金发生再结晶的温度为1055 ℃，热处理温度高于γ'相溶解温度时，再结晶呈现等轴再结晶形貌，而低于γ'相溶解温度时则呈现胞状再结晶形貌。随着热处理时间的延长，大角度晶界占比减少，产生的退火孪晶有助于降低畸变能。对比不同合金初始状态发生再结晶的情况可以发现，铸态合金发生再结晶的倾向最大，结合工程实际，发现较短时间的退火可有效地降低合金再结晶的情况。

通过控制镍基变形高温合金锻造和热处理工艺，制备了粗晶体积分数为0%~100%的混晶组织，测试了不同混晶组织730 ℃/530 MPa的持久性能变化，获得了混晶组织对合金持久性能的影响规律与机制。结果表明：经730 ℃/530 MPa持久性能测试后，粗晶体积分数为0%~100%的混晶组织表现出差别较大的持久性能，粗晶体积分数15%的混晶组织持久寿命最短，粗晶体积分数100%的粗晶组织持久寿命最长；较低粗晶体积分数0%~15%的混晶组织试样高温持久断口呈现出典型的韧性断裂特征，而较高粗晶体积分数50%~100%的混晶组织试样持久断口呈现出沿晶断裂特征。所有混晶组织试样高温持久变形均以位错运动主导的晶内变形和晶界滑移为变形机制，但随着粗晶体积分数改变，{111}晶面上强织构及粗、细晶粒内部位错分布均产生变化，位错塞积与晶界滑移诱导的应力集中和孔洞形核倾向存在差异，影响了合金的高温持久性能。

设计了不同的热处理制度，通过SEM、EDS、TEM以及拉伸实验等方法研究了不同制度下GH4698合金的组织演变及750 ℃拉伸性能，为合金微观组织调控和力学性能优化提供参考。结果表明：多级热处理制度使合金中γ'相尺寸呈多峰分布，其中小尺寸γ'相对合金强度有利，大尺寸γ'相利于提高合金塑性。在750 ℃下，经1030 ℃/4 h，AC+1000 ℃/4 h，AC+875 ℃/16 h，AC+725 ℃/16 h，AC热处理的合金析出3种尺寸的γ'相，合金晶内与晶界的强度得到协调，促进了位错滑移的传递，使合金塑性提升，具有最佳的综合力学性能，抗拉强度为706 MPa，断后伸长率达到9.3%。

采用高能球磨（high-energy ball milling, HEM）和放电等离子烧结（spark plasma sintering, SPS）工艺制备Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W-xY（x=0，0.1，0.2，at%）合金，通过SEM、EBSD、TEM等研究Y微合金化对Ti-47.5Al-6.8 Nb-0.2W合金高温压缩蠕变性能的影响，分别在800~850 ℃进行蠕变试验，应力为250 MPa，时间为50 h。结果表明：Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W-xY合金均由等轴γ晶粒、γ晶界的块状α₂和B2相、α₂/γ片层团组成。添加的Y主要以Al₂Y颗粒的形式在晶界处形成链状结构，Y能细化晶粒并增大α₂/γ片层团，Y含量由0增至0.2at%时，晶粒尺寸从12.1 μm减小至7.8 μm，细化效果最为显著。在蠕变后合金中γ晶粒轻微扁平化，片层发生弯曲和退化现象，片层团内部出现大量细小的再结晶晶粒及球状B2相，蠕变温度升高促进动态再结晶形成。Y的加入显著提高合金的压缩蠕变性能，在800 ℃下，0.2Y合金的最大蠕变应变为8.96%，稳态蠕变速率为4.01×10^-7 s^-1，与无Y合金相比分别降低了32.83%和38.31%。合金力学性能的改善是由于Al₂Y颗粒的第二相强化、片层细化和B2相的减少。

Fe-Al合金兼具优异机械性能、低成本和中等磁致伸缩性能，是具有巨大应用潜力的新型磁致伸缩材料。本研究利用电弧熔炼制备（Fe₈₁Al₁₉）_100-xCe_x（x=0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4，at%）合金，分析微量稀土元素Ce对Fe₈₁Al₁₉合金的组织、织构和磁致伸缩性能的影响规律。结果表明：在Fe₈₁Al₁₉合金中添加微量Ce使等轴晶转变为柱状晶，并显著提升了有利的η织构体积分数。但柱状晶特征随着Ce含量提高逐渐减弱，导致了η织构的减弱和γ与α织构体积分数的提高。随着Ce元素含量的增加，晶界和晶粒内部区域形成大量富Ce的第二相。其中晶界处主要为富Ce-Al第二相，而在晶内为由Ce-Al包裹富Fe-Ce相的复合第二相。微量Ce元素掺杂显著提高了Fe₈₁Al₁₉合金的磁致伸缩性能，特别是当Ce含量为0.05%时，磁致伸缩系数达到峰值153 ppm，增幅达89%。磁致伸缩系数的显著提升归因于微量Ce元素添加形成更多包含η织构柱状晶以及微量Ce元素固溶导致更多纳米异质相的形成。

采用电磁脉冲焊接实现了LA103Z和1060Al异种材料的连接，结合数值模拟和实验探究了放电能量对界面形貌的影响、波形的形成机制和界面元素扩散问题。结果表明：感应磁场和感应电流分别与焊接电流大小和变化速率相关。放电能量的提高增大了1060Al受到的洛伦兹力，提高了碰撞速度，而碰撞角度几乎不受影响。回弹现象改变了1060Al和LA103Z的接触状态，这是环形焊缝形成的关键。模拟和实际的界面形貌都为正弦波，且波幅从32 kJ的3.02 μm提高到了38 kJ的6.48 μm。波形的形成源于界面上剪切作用及碰撞引发的剪切不稳定性和金属塑性流动共同作用。界面上没有观察到熔化现象，接头最大剪切强度达到了铝母材的90.38%。模拟结果表明界面上的温度始终低于母材的熔点是接头力学性能提高的关键。