TC4钛合金是一种（α+β）型双相钛合金,常温下由α固溶体和β固溶体两相构成,具有比强度高、熔点高、耐腐蚀和生物相容性好等优点,被广泛应用于国防军工、航空航天、海洋舰船等先进装备,和医疗仿生、汽车工业、石油化工等民用领域。这些应用领域的不断发展对TC4钛合金及其复合材料提出了更高的综合性能需求。为此,本论文针对TC4钛合金及其复合材料的精细物相和结构调控难度大、强度与韧性失衡等问题,开展其制备工艺、物相和微结构的综合调控,及其力学性能与强韧化机理研究。论文采用低温液氮球磨、场助活化烧结、低温液氮球磨等技术制备TC4钛合金及其复合材料,采用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和背散射电子衍射（EBSD）等表征技术详细表征了材料物相与微观结构,采用维氏硬度计、万能试验机等设备测试材料力学性能。论文研究成果将为解决TC4钛合金的先进结构与复合材料设计、结构调控和性能提升等科学问题提供技术和理论基础。首先,论文采用场助活化烧结技术实现TC4钛合金微米粉的低温快速致密化。在烧结温度900oC,升温速率100oC/min,保温3min条件下,TC4钛合金烧结体的致密度达98.2%;随着烧结温度从900oC提高至1000oC及以上,TC4钛合金烧结体的微观结构从网篮状转变为片层状;其中网篮状结构TC4钛合金的晶粒尺寸和取向分布均匀,晶界体积分数较小,晶粒间存在共格现象;片层状结构TC4钛合金的晶粒呈薄片状,并交替分布形成α晶团,晶界体积分数较高。力学性能测试的结果表明,在900oC温度下获得的网篮状结构TC4钛合金烧结体的综合力学性能较好,其压缩屈服强度1028 MPa、断裂应变34.93%;全片层状结构TC4钛合金的压缩屈服强度更高,在1000oC温度下获得的烧结体的压缩屈服强度达1096 MPa。其次,论文通过低温液氮球磨技术细化TC4钛合金粉末的晶粒,采用场助活化烧结技术实现TC4钛合金的低温球磨粉体的致密化烧结。研究结果表明:低温球磨4.5 h后,TC4钛合金粉末的内部晶粒实现了纳米化,平均晶粒尺寸约为32 nm;在烧结温度900oC,升温速率100oC/min,保温3 min条件下,钛合金烧结体的α晶粒呈等轴状,晶粒明显细化,尺寸12μm。分析认为:低温球磨过程在TC4钛合金粉体内部引入的高密度位错和较低的场助活化烧结温度,是形成并保持细晶结构的主要原因。β相主要分布在α相晶粒的晶界区域,低温球磨引入了Fe元素,Fe元素作为β相稳定元素,与钛元素发生固溶,提高晶界β相含量。晶粒细化,以及粉体晶粒细化过程引入的高密度晶界和位错显著提高TC4钛合金烧结体的压缩性能,将其压缩屈服强度提升至1795 MPa。在前两章的基础上,论文利用场助活化烧结技术烧结TC4钛合金球磨细晶粉与粗晶原料粉的混合粉体,得到具有双尺度结构的TC4钛合金烧结体。研究结果表明:双尺度结构中,细晶区呈12.5μm的等轴状,粗晶区呈晶粒长度为18.524.5μm的网篮状;随着双尺度TC4钛合金中细晶粒含量的上升,样品的维氏硬度和压缩强度上升,断裂应变降低;细晶粒与粗晶粒的含量比为3:1时,双尺度结构TC4钛合金样品具有较均衡的力学性能,其压缩屈服强度为1544MPa,断裂应变为22.19%。分析认为:双尺度TC4钛合金中的细晶组织提升材料强度,粗晶组织阻碍裂纹的扩展,为位错提供运动空间,提升材料塑性变形能力,双尺度结构实现了TC4钛合金烧结体的强韧化。最后,论文通过添加B4C与钛合金中的Ti元素进行原位反应,在TC4钛合金基体中引入TiB和TiC陶瓷相,得到陶瓷颗粒增强钛基复合材料。研究结果表明:原位反应生成的TiB呈须状,与钛合金基体间错配度δ=5.39%,TiC颗粒呈等轴状,二者与钛合金基体间界面纯净、结合良好;钛合金基体为网篮状结构,原位反应生成的陶瓷相颗粒在其中弥散分布。分析认为:陶瓷相阻碍钛合金基体晶粒的生长,避免粗大片层状组织的形成,得到网篮状结构的钛合金基体。随着陶瓷相含量的上升,钛基复合材料的压缩强度上升,当B4C的添加量为9 vol%时,钛基复合材料的压缩屈服强度被提升至1537 MPa;较大尺寸的陶瓷相颗粒在材料变形过程中促进韧窝形成,并通过与钛合金基体的紧密结合牵制韧窝扩展,较小尺寸的陶瓷相颗粒在钛合金基体变形过程中引起位错缠结和塞积,增加材料的变形抗力。