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原位法制备的纳米氧化铝(Alumina,Al2O3)增强铝基复合材料(Aluminum matrix composites,AMCs)中,由于增强体颗粒细小、分布均匀、与基体界面结合良好且具有优异的热稳定性,有效避免了外加法中存在的一系列问题,因而备受国内外学者的广泛关注。然而,目前通过原位法制备纳米Al2O3增强AMCs的研究中仍存在一系列尚未突破的难题,制约着AMCs的发展:①原位反应温度高,反应不彻底,且反应过程不可控,易产生其他副反应夹杂物;②原位生成的纳米Al2O3含量不可控,导致力学性能重复性差;③自然氧化过程在铝粉制备阶段进行,氧化铝薄膜阻止基体进一步氧化,导致Al2O3含量提升困难。针对以上问题,本论文利用Al表面会形成一层致密的纳米氧化膜从而保护内部金属免受进一步氧化的特性,提出采用粉末冶金法,利用高能球磨和分步氧化法相结合的方式提升纳米Al2O3含量的创新性思路,旨在复合粉末制备阶段通过调控Al的自然氧化过程来实现基体中纳米Al2O3的可控制备。在此基础上,结合放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)技术和热挤压工艺原位制备出增强体含量可控的AMCs。通过对AMCs的微观组织、界面结合特性、室温力学性能及热稳定性等进行表征与分析,深入探讨了原位生成的γ-Al2O3含量对AMCs组织及性能的影响规律,并阐明了纳米γ-Al2O3增强AMCs的强化机制。结果表明:利用本论文采用的方法,在复合粉末制备阶段通过控制氧化过程可以调控基体中的γ-Al2O3含量,实现纳米Al2O3的可控制备。γ-Al2O3含量随着球磨时间和氧化次数的增加而增加,在球磨24 h通气氧化六次条件下,AMCs中的γ-Al2O3含量达到7.9 vol.%,相较于纯铝(0.3 vol.%)有了显著的提升。通过观察AMCs的微观组织发现,原位生成的纳米γ-Al2O3在基体中以短晶须状均匀分布,基体晶粒尺寸显著细化。结合AMCs的性能测试结果,随着基体中γ-Al2O3含量的增加,AMCs的力学性能显著提高,当γ-Al2O3含量达到7.9 vol.%时,AMCs的抗拉强度达到385 MPa,是纯铝的3.26倍,屈服强度为纯Al的2.9倍,且AMCs的硬度也表现出相同的趋势,达到纯铝硬度的3.1倍。虽然在复合材料强度显著提升的同时,延伸率逐渐降低,但在最大抗拉强度下,延伸率(8%)和电导率(40%IACS)相较于铝合金和其他AMCs仍有良好的保持。通过对复合材料的界面结合情况进行分析发现,原位形成的纳米γ-Al2O3与Al基体之间满足共格条件,二者界面结合良好,在AMCs塑性变形过程中可以起到有效的载荷传递作用,提升AMCs的强度。对γ-Al2O3/Al复合材料的热稳定性研究发现,500℃退火24h,AMCs的力学性能得到良好的保持,抗拉强度达到382 MPa,屈服强度为305 MPa,并具有良好的延伸率6%。退火温度升高至600℃时,材料的强度略有下降,抗拉强度降低为354 MPa,这是由于在长时间高温退火条件下,AMCs内部残余应力释放所导致。综合分析γ-Al2O3增强AMCs的强化机制,主要包括细晶强化、Orowan强化、载荷传递和热错配强化。其中,由细小的纳米增强体颗粒在基体当中弥散分布所导致的Orowan强化贡献最为显著。弥散分布的纳米γ-Al2O3在退火过程中可以起到显著的钉扎作用,有效抑制退火过程中AMCs的再结晶过程,阻碍基体晶粒长大,从而使复合材料即使在较高的退火温度下仍可以保持良好的力学性能,起到强化基体的作用。