粉末热机械固结工艺制备金属型材和零部件,可以实现少切削或无切削加工,是一种高性能、低成本、净近成形的成型工艺。粉末热机械固结法制备的钛、铝、铜及其合金的块体材料和零部件能应用于航空航天、汽车制造等领域,因其成本低且性能优良具有较好的市场竞争力而备受关注。然而在粉末热机械固结过程中,比较不同的粉末固结工艺制备的同种金属块体样品的显微结构和力学性能,以及如何表征氧化膜、温度对颗粒界面转化的影响还未见较为全面、系统的研究报道。本文采用粉末压坯锻造(Powder compact forging,PCF)、粉末压坯挤压(Powder compact extrusion,PCE)和放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)三种热机械固结方法制备钛、Ti-6Al-4V、铝、铜块体材料及发动机的零件摇臂桥,研究制备工艺对材料组织结构和力学性能的影响;基于对材料的显微结构和拉伸断裂行为的分析,深入揭示固结工艺参数对颗粒界面转化的影响;研究了材料氧化膜的存在状态对材料成形特征、组织变化规律及力学性能的影响。本文的研究成果对进一步理解不同的固结工艺及工艺参数对颗粒界面转化的影响具有重要的意义,对粉末热机械固结工艺优化具有工程指导价值。首先,采用粉末压坯锻造和粉末压坯挤压工艺分别制备了钛、Ti-6Al-4V饼状试样和钛、Ti-6Al-4V棒状试样,论文研究了在中等应变速率10-4-10-1 s-1范围内,上述四种样品的显微结构、力学性能和固结过程中颗粒界面转化的问题。结果表明锻饼和挤压棒样品都具有层片状结构,四种样品固结状态良好,这取决于氧化膜在加热过程中的快速消融以及新的界面间的焊合。锻造Ti、Ti-6Al-4V试样和挤压Ti、Ti-6Al-4V试样都对中等应变速率变化较为敏感,随着应变速率的提高,拉伸试样断口处及其附近出现的孔洞数量和体积分数随之增加。其次,本章探索了钛和Ti-6Al-4V摇臂桥的硬度、强度等性能,分析了样品的固结状态,研究采用粉末压坯锻造法近净成形制备汽车或飞机发动机零件的可行性。结果表明:Ti及Ti-6Al-4V摇臂桥的固结水平很高,具有较高的抗拉强度、硬度及较好的塑性,在较高的中等应变速率下进行拉伸试验,试样中出现的孔洞等缺陷较少;在垂直于锻造力方向的截面上,织构的分散分布在一定程度上降低了材料的延展性。再次,选用与氧亲和力不同的铝和铜粉末以SPS工艺固结成块体样品,研究二者的组织结构、力学性能以及断裂行为等的差异,探索氧化膜在铝粉和铜粉热固结过程中对晶粒生长、颗粒界面转化、力学性能的影响。研究发现与氧亲和力强的铝样品,在SPS制备过程中的氧化膜并没有被破坏,氧化膜依然包裹在粉末颗粒表面,影响了样品的固结质量,使烧结材料的力学性能较差;与氧结合力弱的铜,经过SPS烧结后原本存在于铜粉颗粒表面的氧化膜在固结中溶解,样品力学性能较好。为了解决由氧化膜所引起粉末颗粒固结状态差的问题,在上述工艺的基础上分别加入后处理工艺(大变形的挤压工艺)、预处理工艺(粉末原料的高能球磨工艺)和预处理与后处理相结合的工艺,并分别讨论研究各个工艺对氧化膜与材料固结状态的影响。最后,论文研究了温度对热挤压铝样品的固结水平、组织结构及力学性能的影响,挤压温度越高,样品的固结水平越高,氧化膜在挤压过程中被破坏的越严重,晶粒尺寸、抗拉强度、断裂延伸率也都随着温度升高而增大。