采用原位观测疲劳实验方法, 对激光选区熔化(selective laser melting, SLM)TC4合金的三维小裂纹扩展行为开展研究, 并通过降载法测定同等实验条件下的长裂纹扩展曲线。结果表明: 在小裂纹扩展的早期阶段, 其扩展速率受到微观组织结构的影响而明显波动, 裂纹扩展路径曲折, 随着裂纹长度的增加, 微观结构影响降低, 裂纹扩展路径平直, 扩展速率随裂纹长度稳定增加。内部缺陷仍然能够降低合金疲劳寿命。比较小裂纹与长裂纹扩展数据, SLM TC4合金小裂纹在长裂纹扩展门槛值下仍能扩展, 同时在同一应力强度因子幅值下, 小裂纹扩展速率要高于长裂纹, 存在典型的"小裂纹效应", 因此在对合金进行疲劳寿命预测时要考虑材料的小裂纹行为。

采用激光增材连接技术对"X"型坡口TC4-DT钛合金锻件进行连接, 利用OM和SEM对连接后TC4-DT钛合金基材、热影响区和连接区三个区域的宏微观组织形貌进行表征分析; 采用维氏硬度计测量三个区域的显微硬度; 采用万能试验机和摆锤冲击仪对不同取样类型的试样进行室温拉伸和冲击实验。结果表明: 激光增材连接区与基体形成致密的冶金结合; 显微硬度分布从基材到连接区呈递增趋势; 随着拉伸试样中连接区占比的降低, TC4-DT钛合金的强度表现为先升高后降低, 而塑性却呈现降低的趋势; 冲击韧性a_kU均在55 J/cm²以上, U型缺口开口方向对连接区冲击韧性影响较大, 对结合区冲击韧性无明显影响。

钛及钛合金具有高比强度、低的弹性模量、无磁性以及优异的生物相容性和耐腐蚀性能等特点，被认为是理想的生物医用金属材料。以无毒性的Nb, Mo, Ta, Zr和Sn等作为主要合金化元素，并具有更低弹性模量的亚稳β型钛合金是新一代医用钛合金材料的重点发展方向。本文综述了生物医用钛合金的基本特性和发展概况，并以Ti-Nb基医用钛合金为例，介绍了新型亚稳β生物医用钛合金的成分设计方法、合金化原理、研究现状和制备技术。最后指出进一步降低弹性模量，提高强度、疲劳性能和功能特性等综合性能是生物医用β钛合金重点的发展方向，今后可以针对合金化元素的交互作用机理、合金成分设计与组织性能调控方法以及微观力学机制等问题开展深入研究。

Ti₂AlNb基合金由于具有优异的高温比强度、高温抗蠕变性能和较高的断裂韧度，因而被认为是替代传统镍基高温合金最具潜力的材料。采用电子束选区熔化（selective electron beam melting，SEBM）技术成形Ti-22Al-25Nb合金，通过工艺优化获得高致密度（5.42~5.43 g/cm³）的成形试样。研究了沉积态和热等静压（hot isostatic pressing，HIP）态试样的显微组织演变、物相演变及其对力学性能的影响。结果表明：沉积态和HIP态组织呈现出沿成形方向的柱状晶结构，且均由B2，O和α₂相组成，沉积态试样中的O/α₂相自上而下逐渐增加，HIP后组织趋于均匀化，且相对沉积态，析出相的宽度缩小、数量减少。沉积态试样中析出相较多的下部区域具有更高的显微硬度（（345.87±5.09）HV），HIP后试样硬度值增加至388.91~390.48HV。沉积态试样室温抗拉强度和伸长率分别为（1061±23.71）MPa和（3.67±1.15）%，HIP后抗拉强度增加至（1101±23.07）MPa，伸长率降低至3.5%。

本文对钛合金/钢的异种接头连接技术的研究现状进行了总结和综述，分析了钛合金/钢直接连接和含中间层连接界面的显微组织特征，重点阐述了添加不同中间层(铜、铜基合金及其他)的钛合金/钢界面产物的形成和演变过程，并归纳了不同中间层与制备工艺的钛合金/钢力学性能，最后总结了制备良好的钛合金/钢接头可以采取的方法与设计思路，并指出该领域未来发展除使用传统方法继续深化现有研究外，可与模拟仿真结合，达成更具深度的认识与实验预测。

采用激光熔覆技术在TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、能谱分析仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机等研究涂层的成形质量、微观组织、物相组成、硬度和摩擦学性能。结果表明: 涂层主要由β-Ti, Co₃Ti, CrTi₄和TiC等物相组成, 涂层与基体形成了良好的冶金结合。涂层结合区组织是平面晶和柱状晶, 中部组织是树枝晶, 顶部组织是等轴晶。涂层各微区的碳化钛形貌有显著差别, 其中顶部和中部区域碳化钛为粗大的树枝状和花瓣状, 而结合区为针状和近球状。涂层显微硬度最大值为715HV, 约是TA15显微硬度(330HV)的2.1倍; 同等条件下涂层磨损量为30.14 mg, 约为TA15磨损量98.11 mg的30.7%。涂层与基体的磨损机制均为磨粒磨损和黏着磨损的复合磨损模式, 但涂层的磨损程度较轻。

以五元系Ti₂AlNb合金Ti-22Al-23Nb-1Mo-1Zr(原子分数/%)环锻件为研究对象, 借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和力学性能检测设备, 研究合金在不同固溶温度(850, 880, 900 ℃)+750 ℃时效处理工艺下的组织演变、拉伸性能及断裂行为。结果表明: 固溶处理后, 随固溶温度的增加, 细片层O相易固溶于B2相基体中, 粗片层O相逐渐粗化, O相体积分数下降; 后经时效处理后, 有少量细片层O相从B2相基体中析出, 粗片层O相进一步粗化, O相体积分数趋于一致; 合金强度随固溶温度增加呈下降趋势, 而塑性呈上升趋势; 拉伸断口形貌为典型解理和韧窝混合断裂的准解理特征, 纵向断口存在微裂纹、滑移特征以及沿拉伸方向伸长的弯曲片层O相; 位错在B2/O相界塞积, 片层O相尺寸细小, 能够有效减小位错滑移距离, 使得合金强化作用较强。

为了提高TC4钛合金表面摩擦磨损和高温抗氧化性能，以NiCrCoAlY+20%（质量分数）Cr₃C₂混合粉末作为熔覆粉末，采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备NiCrCoAlY-Cr₃C₂复合涂层，利用OM，SEM，XRD，EDS等分析涂层的显微组织和物相组成；采用HXD-1000TB显微硬度计测量涂层显微硬度；采用MMG-500三体磨损试验机与WS-G150智能马弗炉对涂层和基体进行摩擦磨损及高温抗氧化实验。结果表明：利用激光熔覆技术在TC4钛合金表面可以制备形貌良好、无裂纹和气孔等缺陷的复合涂层。熔覆区显微组织结构致密，多为针状晶和树枝晶；结合区的显微组织主要由平面晶、胞状晶和树枝晶组成，生成了多种可提高耐磨性和高温抗氧化性的碳化物、氧化物和金属间化合物。复合涂层的最高显微硬度为1344HV，约为钛合金基体350HV的3.8倍；复合涂层的摩擦因数为0.2~0.3，较钛合金基体的摩擦因数0.6~0.7明显下降；相同条件下复合涂层的磨损失重为0.00060 g，是钛合金基体磨损失重0.06508 g的0.9%；恒温850℃氧化100 h后复合涂层氧化增重为6.01 mg·cm^-2，约为钛合金基体氧化增重25.10 mg·cm^-2的24%。激光熔覆技术有效改善了TC4钛合金表面的摩擦磨损和高温抗氧化性能。

基于细晶强化和第二相强化原理，通过在一种近β钛合金中加入微量硼（B）元素，以强化该合金。首先设计不同含硼量的Ti₈₅Fe₆Cu₅Sn₂Nb₂合金，并用真空非自耗电弧炉制备，随后对合金在800℃下进行多道次热轧及最终淬火。通过组织观察、拉伸力学性能测试、断口观察及透射电子显微分析，考察不同硼含量对Ti₈₅Fe₆Cu₅Sn₂Nb₂合金组织及力学性能的影响。结果表明，微量硼元素可以使合金的晶粒细化，强度明显提高，但伴随着塑性下降。添加质量分数为0.15%硼可以使合金具有较好的综合力学性能（σ_0.2=1105 MPa，δ_b=4.5%）。随着硼含量的增加，合金的强度升高，最高可达1156 MPa。硼的加入在合金中形成正交结构的TiB相，分布于β钛基体中。变形过程中，TiB断裂、TiB割裂基体及其与基体脱粘，产生裂纹源，导致合金塑性下降。

采用放电等离子扩散连接方法，实现了TiAl/Ti₂AlNb合金扩散连接，对焊后的接头进行不同温度的热处理，分析热处理后接头显微组织，并检测接头抗拉强度和显微硬度。结果表明：热处理后Ti₂AlNb母材、TiAl母材和界面处显微形貌无明显变化；Ti₂AlNb热影响区发生B2相向O相转变，由于针状O相的析出，热影响区的显微硬度较焊态显著增加。随着热处理温度的升高，Ti₂AlNb热影响区的显微硬度逐渐减小，接头的室温抗拉强度逐渐增加。当热处理温度为900℃时，接头抗拉强度最大为376 MPa。热处理后接头的断裂方式为脆性断裂。

近β钛合金的等温相转变具有多样性和复杂性的特点，对温度敏感性强，直接影响其时效后的力学性能。本工作所用合金为自主研发的Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb超高强β钛合金，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、硬度计等分析表征手段对等温处理后合金的微观组织演变及力学性能进行系统研究。结果表明，合金300℃时效时只析出等温ω相，等温ω相随时效时间的延长发生长大。合金400℃时效时先析出等温ω相，随着时效时间的延长，α相依附于ω/β界面处形核。合金500℃时效时无ω相析出，针状α相直接从β基体中析出，呈"V"字形均匀分布在β基体中。400℃时效12 h时抗拉强度为1716.1 MPa，伸长率为2%。500℃时效12 h时抗拉强度为1439.8 MPa，伸长率为9.84%，具有良好的强塑性匹配。

钛合金具有良好的生物相容性，同时相比传统植入物金属材料有较低的弹性模量，在生物环境下具有良好的抗腐蚀性能，这些优异的性能使钛合金作为医用植入物材料备受青睐。钛及钛合金作为医用植入物材料在临床中得到广泛应用。在不同的临床应用过程中，植入物材料常因金属的降解、与骨的生长融合、抗菌等因素，而对材料本身的性能有着不同的要求。因此，制备具有优异综合性能的钛合金材料以满足临床需求是科研工作者当前面临的重要问题。本文系统介绍了医用钛合金材料的结构、性能特点及目前在骨科应用方向的研究现状，在未来研究中，将通过改变元素组成、增加表面改性、优化生产工艺等方式，使钛合金材料能够以优异的综合性能更好地服务于人类。

采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对层片组织的TC11钛合金进行表面纳米化处理，对比研究了表面纳米化处理前、后TC11钛合金的室温高周疲劳行为；借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对比分析了高周疲劳断口及断口附近的微观组织形貌。结果表明：经SFPB处理后在钛合金表层产生了30~50 μm厚的纳米层，纳米晶尺寸在5~15 nm左右；疲劳性能得到明显提高，在相同应力级别下的疲劳寿命提高了约8~10倍，疲劳条带宽度变窄，且随着加载级别的降低，疲劳寿命提高的倍数逐渐增加；SFPB前、后疲劳断口均由疲劳源区、裂纹扩展区、瞬断区三部分组成，但SFPB处理后的疲劳源由处理前的表层移至次表层；SFPB处理态试样疲劳加载后表层组织仍为纳米量级，但次表层组织中出现大量的形变孪晶、位错缠结以及少量的形变诱导马氏体组织。

主要研究具有层片状α相组织的TB8钛合金在α+β双相区的热变形行为。结果表明，在应变速率为1 s^-1时，变形温度为650℃的流变曲线展现出连续的流变软化，当温度高于650℃时，流变曲线呈现出不连续屈服现象。不连续屈服现象随变形温度的增加和应变速率的降低而消失。当应变速率为0.001 s^-1时，750℃和800℃的流变曲线呈现出典型的动态再结晶特征。峰值应力σ_p，温度T和应变速率三者之间的关系已通过Arrhenius-type本构方程进行表征，建立了材料常数α，A，n和Q值与真应变之间的关系模型，并分析了应变对α，A，n和Q值的影响。α值随真应变的增加而增加，而A，n和Q的值随真应变的增加而逐渐降低。实验应力值和预测应力值之间的相关系数和平均相对误差参数分别为0.945和9.08%。这表明本工作建立的应变补偿的热变形本构方程能够很好地预测具有层片状α相组织的TB8钛合金在α+β双相区热变形过程中的流变应力。

Ti₂AlNb合金和Ti基复合材料可以使用直接固相扩散的方法进行连接，但较高的扩散温度使得母材发生相变，其接头性能也因此变差。采用Ti箔中间层的方法优化Ti₂AlNb合金和Ti基复合材料的固相扩散连接接头性能。结果表明：加入30 μm的Ti箔中间层后，扩散连接温度由950℃降低至850℃，变形率由5%降低至1.7%，扩散连接温度的降低有效地改变了接头界面的组织，典型界面组织为Ti₂AlNb/富B2相/α+β双相组织/Ti基复合材料，其中接头界面处α+β双相组织的形成提高了接头的强度。最佳扩散连接工艺参数为850℃/60 min/5 MPa时，剪切强度达到最大值399 MPa，实现了Ti₂AlNb和Ti基复合材料在低温下的扩散连接。