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。

重型燃气轮机用镍基高温合金通常具有较高的Cr含量，但高Cr含量给合金的成分设计优化带来了困难。特别是，为了避免有害拓扑密排（TCP）相的析出，限制了固溶强化元素W、Mo的含量。本工作采用复杂多组元扩散多元节技术，研究了W、Mo含量变化对燃机用镍基定向高温合金DZ409在900 ℃、1000 h时效条件下γ/γ'两相状态和TCP相析出的影响作用。实验结果表明：当Mo含量不变时，W含量由3.8wt%继续增加至4.3wt%时，γ'相体积分数略有减少，γ'相尺寸减小且形貌保持球形。当W含量超过4.3wt%时，合金中开始析出σ相和P相。当Mo含量由1.4wt%增加至1.6wt%，同时W含量从4.0wt%降至3.3wt%时，γ'相体积分数略有增加，γ'相尺寸减小且形貌保持方形。Mo含量超过1.6wt%后，合金中析出σ相和P相。根据APT尖端重构图和各主要元素的离子分布图可知，W含量增大会促进TCP相析出，添加Mo同时减少W也会促进合金析出TCP相，主要因为W、Cr等元素在γ基体中的富集，使γ相中难熔元素总量超过γ基体固溶极限。

研究了搅拌摩擦加工速比因子对Al-3Mg-0.1Sc-0.1Zr合金显微组织、显微硬度和超塑性能的影响。结果表明，随着速比因子和热输入的增加，搅拌区面积增大，晶粒尺寸变大，动态再结晶更加充分，而搅拌区硬度峰值降低。不同速比因子加工的合金在温度为475 ℃、应变速率为10^-2 s^-1的条件下进行拉伸实验时均发生高应变速率超塑性，并观察到3种类型的真应力-真应变曲线。其中速比因子为4的合金延伸率最高，达到2500%，且在拉伸断裂前产生明显的应变硬化，这将改善常见的超塑性成形后期应力软化流失现象，表现出较高的工程应用价值。优异的超塑性主要归因于热稳定性好的等轴细晶以及高比例的大角度晶界组织，基于晶粒长宽比、孔洞演变以及断口侧面形貌分析，各速比因子下合金超塑性变形的主要机制为晶界滑移。

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。

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。

研究了一种第二代镍基单晶高温合金经过真空固溶热处理后表面化学成分和显微组织的变化，重点研究了加氩气分压和不加氩气分压两种条件对铸件表层的影响。结果表明，在高温真空热处理过程中，加氩气分压进行固溶热处理时，试棒表面出现贫Cr层，表面层形成了明显的3层分布，接近基体的过渡层主要为γ'相+拓扑密堆相（TCP），次表层为γ'相+TCP+β相，表层为γ'相+β相。此时，金属Al和Ni元素在表面沉积。不加氩气分压处理时，试棒表面同样出现贫Cr层，形成了过渡层主要为γ'相+TCP相，表层为γ'相+TCP+β相的2层结构。真空热处理过程中，铸件表面元素的挥发、沉积、氧化、扩散等反应将同时发生。受温度、真空度和分压压力的影响，铸件表面将出现沉积层、贫化层和过渡层。同时对过程中各类反应的热力学和动力学原理进行了详细分析。

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。

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%。

为了设计适用于颈椎植入物的多孔钛合金结构，根据颈椎受压缩、压缩-剪切、压缩-扭转、压缩-弯曲等不同受力情况，利用拓扑优化和CAD相结合的方法构建出4种单胞结构TO-C、TO-CS、TO-CT、TO-CB，并通过压缩仿真进行力学性能分析；最后对采用激光粉末床熔融技术制备的孔隙率60%多孔试件进行了准静态压缩试验。有限元仿真和压缩试验结果共同表明，4种多孔结构的抗压性能和弹性模量均满足人体骨植入物的需求，其中，TO-CB结构的抗压性能最优，适用于作为多孔钛合金颈椎植入物。

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。