新兴的固态搅拌摩擦焊技术及其衍生的新型加工方法,既可实现钛合金的连接,亦可用于钛合金的表面改性。本文基于搅拌摩擦焊技术原理对TC4钛合金进行表面改性,通过不同的工艺手段,分别制备具有结构或组分不同于原TC4母材的改性层,并揭示氮气气体、分散陶瓷/金属粉体、连续软质异种金属块体与搅拌区钛基组织的相互作用机制,结合组织性能评价,深入研究相关的基本理论和关键问题。在保护气氛下进行了直接搅拌摩擦TC4表面改性。研究了改性层组织结构特征,探明了搅拌摩擦热-力效应及其对TC4搅拌区宏观成形、α/β微观组织演变规律的影响,并建立了工艺参数、加工温度变化特征与组织演变特征之间的联系。基于加工升-降温区的组织变化,揭示了搅拌区α/β相结构演变机理;分析表明,TC4钛合金搅拌区的形成先后经历了起始塑性变形、高温塑性流变、高温“小锻造”和冷却的过程;在优化的工艺条件下,搅拌区“搅拌挤压流变区域”发生α/β相变;在“高温锻造区域”的全β相组织的演变及其冷却速率,决定了最终搅拌区的组织形态,并在冷却后获得基于β相区群的新生α+β(或α+α’+β)双态组织。在分析了改性层硬度及耐磨性的基础上,讨论了搅拌区组织强化机理。介入一定比例的氮气/氩气混合气氛搅拌摩擦TC4表面改性,提出了钛合金搅拌摩擦氮化工艺,在分析氮化层组织结构特征的基础上,揭示了氮化机理。研究认为,氮气可与TC4搅拌区表层的、经塑性变形活化的钛基组织进行气-固热吸附,在搅拌摩擦作用下通过“塑性变形诱发Ti/N加速反应扩散”、冷却过程的氮化相析出等机制,以及表层氮化物和高氮Ti(N)固溶体相的搅拌迁移行为,实现了机械驱动、固态加工和快速氮化的工艺目标。获得了厚度在200μm以上的氮化层,并测试分析了氮化层的硬度分布特征。搅拌区的结构呈现出“致密氮化层区”、“次致密氮化层区”、“氮化物颗粒弥散层区”、“贫氮搅拌区”的分层特征,结合搅拌头对氮化相的“机械破碎效应”及氮的成分浓度因素,分析了氮化层结构梯度特征的形成原因。利用植粉搅拌摩擦加工工艺,制备了Ti Cp/TC4钛基陶瓷颗粒增强复合化改性层,重点研究了搅拌区的Ti C颗粒行为。对改性层不同特征区域的颗粒形态、分布、尺寸等因素进行了观察分析,结合预植入的不连续Ti C颗粒与搅拌头之间、相邻颗粒之间的相互作用,揭示了陶瓷颗粒在钛基搅拌区中的整体分散和微区弥散、塑性变形、破碎细化、溶解-析出等多种物理行为的发生机理。测试和分析了Ti Cp/TC4复合化改性层的硬度分布特征,进而阐明了这种复相组织的强化机制,认为搅拌区分散的Ti C颗粒以及钛基α+β双态组织晶粒的双重细化,可对改性层产生第二相强化和基体复相强化的作用。分别基于植粉搅拌摩擦加工工艺和异种金属搅拌摩擦焊搭接工艺,将异种的塑性金属引入TC4搅拌区制备改性层,重点研究了异种金属相与钛基组织的相互作用机制及其影响。主要工作包括:①将β-Ti相稳定元素Cu粉预植入TC4表层,利用搅拌摩擦热-力效应制备了Ti-Cu阻燃改性层;金属Cu粉体在钛基搅拌区中发生分散、固溶、反应扩散等行为,获得了基于新生富β-Ti相区的Ti-Cu合金化层区;结合阻燃性能评价,分析了Ti-Cu改性层的阻燃机理,研究认为,β-Ti相比例的提升以及生成的Ti-Cu中间相,均有利于改善组织的耐烧蚀能力。②改变植入的金属粉体,将α-Ti相稳定元素Al粉引入TC4搅拌区,制备了TC4表面的Ti-Al合金化改性层。研究了引入Al粉在搅拌区中反应生成Ti-Al中间相颗粒的机理及其分布特征,分析认为,弥散分布的中间相颗粒可提高改性层复相组织的硬度。③提出了在搅拌摩擦焊搭接工艺下,将软质的、连续的纯Al金属块体引入TC4表层,在TC4基板表层制备了Ti-Al合金化层区及Al基覆层,实现了TC4表面的Ti-Al合金化及异种金属块体的冶金结合。研究了加工过程中异种块体金属之间的相互作用机制,并且评价了改性层的抗热氧化性能,分析了热氧化60小时后Ti-Al合金化层区的相结构演变。