TiAl基合金由于具有低密度、高熔点、高比强度和优异的抗氧化能力等优点,有望取代镍基高温合金应用于航空航天、汽车工业等领域。但是,由于TiAl金属间化合物固有的本征脆性,加工性能差,从而限制了其应用发展。有效协调和平衡TiAl基合金强度和韧塑性之间的矛盾,实现强度和韧塑性协同提高,是推动并拓宽其应用的关键。受贝壳多尺度、多级次结构的启发,通过仿生结构设计成为提高TiAl基合金性能的有效途径。本文基于复合化技术和仿生结构设计理念,以Ti₂AlC为增强相、钛合金箔（Ti-6Al-4V）为韧化层,采用放电等离子烧结技术制备TC4/Ti₂AlC-TiAl基叠层复合板材,围绕复合板材的相组成、界面层结构及组成、叠层结构、裂纹扩展特征、断口形貌和室温力学性能等进行了研究,揭示了叠层复合板材的强韧化机理,形成了叠层复合板材的制备技术原型。叠层结构复合板材复合层主要由Ti₂AlC、α₂-Ti₃Al、γ-TiAl和少量的TiC相组成。叠层结构特征明显,复合层和增韧层的界面反应产物为Ti₃Al相,且界面结合良好。复合层Ti₂AlC增强相呈网状分布于基体晶界处。五层钛合金层对应的复合板材,无Ti₂AlC增强相生成时,复合板材的性能最佳,在加载方向垂直于叠层结构方向时,弯曲强度和断裂韧性分别为455.74 MPa和21.65MPa·m^1/2;在加载方向平行于叠层结构方向时,弯曲强度和断裂韧性分别为499.19 MPa和15.82 MPa·m^1/2。五层通孔结构钛合金层对应的复合板材,当Ti₂AlC理论生成量为10 wt%,加载方向垂直于叠层方向时,复合板材的综合性能最好,弯曲强度和断裂韧性分别为287.08MPa和14.94 MPa·m^1/2;当Ti₂AlC理论生成量为30 wt%,复合板材呈近各向同性,垂直叠层和平行叠层方向的断裂韧性分别为15.76 MPa·m^1/2和14.11 MPa·m^1/2,弯曲强度分别为241.42 MPa和239.03 MPa。七层钛合金层对应的复合板材,当加载方向垂直于叠层方向时,20 wt%Ti₂AlC/TiAl基复合板材的弯曲强度和断裂韧性达到了最大值为564.86 MPa和39.15 MPa·m^1/2;当加载方向平行于叠层方向时,10 wt%Ti₂AlC/TiAl基复合板材的弯曲强度和断裂韧性达到了最大值为725.64 MPa和23.51 MPa·m^1/2。七层通孔结构钛合金层对应的复合板材,10 wt%Ti₂AlC/TiAl基复合板材的综合力学性能最佳,在加载方向垂直于叠层方向时,其弯曲强度和断裂韧性为351.87 MPa和27.97 MPa·m^1/2;在加载平行于叠层方向时,其弯曲强度和断裂韧性为436.52 MPa和23.36 MPa·m^1/2。当Ti₂AlC理论生成量为20 wt%,叠层复合板材呈近各向同性,垂直叠层和平行叠层方向的断裂韧性分别为19.86 MPa·m^1/2和20.38 MPa·m^1/2,弯曲强度分别为370.55 MPa和363.73 MPa。TC4钛合金层既发挥了能量耗散作用,还改变了裂纹的扩展路径,裂纹主要沿着复合层和增韧层界面处扩展,随之偏转进入复合层扩展;当遇到通孔结构时,裂纹将绕着通孔边缘扩展进入相邻的复合层;裂纹扩展呈现出桥联、裂纹尖端分叉、偏转等混合特征;Ti₂AlC增强相的存在阻碍了裂纹的扩展,使得裂纹扩展的驱动力不断减小,裂纹尖端发生钝化,裂纹继续扩展受阻,且Ti₂AlC颗粒主要钉扎在基体晶粒晶界处,抑制了基体晶粒γ-TiAl/α₂-Ti₃Al的长大,实现了细晶强化功能。总之,仿生叠层复合结构设计,有效实现了强韧化效果,为发展高强韧多尺度、多级次结构TiAl基合金提供了新的思路。