分别借助分段多频超声振动及分段多频超声振动复合界面润湿反应制备了纳米颗粒增强铝基复合材料。研究了纳米颗粒含量对复合材料的组织及力学性能的影响。分析了纳米颗粒分散机制、晶粒细化机制及复合材料强化机制。对润湿反应进行热力学分析,并研究了超声时间及超声温度对复合材料组织的影响。相对于传统技术,通过这些新颖的方法,纳米颗粒能够有效地分散在基体内。微观研究结果显示,纳米颗粒的加入导致了基体晶粒细化,复合材料最终的微观组织依赖于纳米颗粒聚集的程度及聚集体的主要尺寸。热力学计算结果揭示了润湿反应在本实验条件下可以自发进行。超声分散及其产生的疲劳破坏是引起纳米颗粒有效分散的主要原因。而润湿剂的加入促进了纳米颗粒与基体熔体的润湿,进而改善纳米颗粒在熔体内的分散。晶粒细化主要归因于颗粒推移机制及异质形核行为。相对于基体合金,在加入1.5 wt.%纳米颗粒及1.0 wt.%润湿剂,800°C下制备的复合材料的拉伸、抗压及硬度有很大的提高。TEM分析显示,在晶粒内存在高密度位错及洁净纳米颗粒/基体界面,意味着复合材料力学性能的改善与基体合金的位错型强化及载荷在颗粒/基体界面的有效传递有关。除此之为,对复合材料的拉伸、压缩断口进行了研究。在颗粒增强复合材料的凝固过程中,凝固前沿与悬浮颗粒发生相互作用。纳米颗粒被凝固前沿吞没或被推移至固/液界面。通过实施铸造实验,研究了纳米颗粒在基体中的分散及聚集程度与合金微观结构的关系。建立了一个用于计算界面推移纳米颗粒的临界界面速率的流体动力学模型。除此之外,讨论了分布在固/液界面前沿的纳米颗粒对界面形貌的影响。微观组织分析结果显示,复合材料晶粒的大小与纳米颗粒及纳米颗粒团聚体在基体内的分布有关。基于建立的流体动力学模型发现,对于颗粒尺寸小于颗粒临界尺寸的36%(r<0.36r*=0.9973μm)的纳米颗粒,其颗粒推移的临界界面速率要比稳态推移微米颗粒所需的临界界面速率低4个数量级,意味着越小的纳米颗粒更容易被界面吞没,而非推移。实验数据与模型完全吻合。结果显示,局部溶体的成分过冷及颗粒后的溶质堆积导致了胞状界面的生成。对于半固态模锻成形,具有适当液相份数且含有细小球状晶粒的微观组织是必需的。在本研究中,采用超声振动和颗粒诱发技术制备了适合短流程半固态模锻成形的复合材料半固态浆料。通过这个技术,纳米颗粒有效地分散在基体内,同时能够获得细小且分布均匀的球状半固态组织。研究了冷却速率、超声温度范围及超声功率对复合材料半固态组织的影响。同时也分析了第二相对微观组织的影响。微观结构分析揭示,通过以10°C/min的冷却速率,在700°C-620°C范围内施加1 k W的超声振动能够获得良好的半固态组织,其中固相率、固相颗粒的平均尺寸及外形因素分别为0.715、73μm和0.84。超声振动诱发的成分均匀性及润湿剂的引入导致了纳米尺寸Al7Cu2Fe及Mg Al2O4相的生成。基于TEM分析及物相晶体结构,结果发现,这些硬质相与α-Al有良好的晶体学取向关系,意味着合金中强化了异质形核行为,进而诱发初生α-Al晶粒过早析出。同时,讨论了半固态组织的演变机制。采用Gleeble-3500热模拟试验机,对纳米颗粒增强铝基复合材料进行半固态等温压缩实验,研究了变形温度、应变速率及纳米颗粒对复合材料等温压缩力学行为的影响。对复合材料压缩断口进行研究,并讨论了复合材料的变形机制。建立了纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形的本构模型。基于压缩实验数据,采用多元线性回归法对本构模型的系数进行求解。结果发现,随着变形温度的提高及应变速率的减少,峰值及稳态应力减少。固相颗粒间液相的润滑作用是导致变形抗力减少的主要原因。随着纳米颗粒含量的增加及粒径的减少,峰值及稳态应力增大,细小且均匀分布的纳米颗粒的增强效应显著。断口分析表明,高温或高应变速率能够促使液相沿晶界连续分布,进而在固相颗粒表面形成一薄层液相膜,最终导致润滑作用改善。在变形过程中,试样经历了强化、软化及稳态三个阶段,分别为液相流、固液协同流动及固相塑性变形机制。结果表明,通过本构模型获得的理论数据与实验数据拟合程度较好。基于复合材料的本构方程,对其半固态模锻成形进行了数值模拟。分析了半固态坯料的量、成形温度及成形速率对等效应变、应力场的影响。同时成功地实施了十字轴零件的短流程半固态模锻成形。讨论了成形温度、下模移动速率及保压时间对零件充型行为的影响。基于数值模拟结果发现,较高的成形速率及成形温度下,坯料能够获得均匀分布的等效应力应变场及较低的最大成形力,而适量的半固态坯料有利于提高成形件的完全充型能力。半固态模锻成形结果表明,较高的成形温度和下模移动速率有利于改善半固态浆料的充型能力,而较长的保压时间能够充满型腔,压实锻件。纳米颗粒的含量及粒径对零件的力学性能产生影响。随着纳米颗粒含量的增加及颗粒尺寸的减少,零件的强度增大,同时材料的塑性也有所提高。晶粒细化,微观组织均匀化、纳米颗粒的Orowan效应及颗粒在晶界处的钉扎作用是导致零件力学性能改善的主要原因。除此之外,对半固态模锻零件热处理后拉伸断裂面进行了分析。