本文采用强流脉冲电子束（High current pulsed beam irradiation,HCPEB）辐照技术对钛合金和纯镍两种金属材料进行表面合金化研究,通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和三维激光扫描显微镜（3D LSM）等表征手段对辐照合金化后表层的微观结构状态进行表征,测试了合金化样品的显微硬度、摩擦磨损及电化学腐蚀性能,通过建立微观结构状态与性能之间的内在联系,分析和总结了表面合金化机理和改性机制。基于重点提高TC4钛合金的表面硬度、摩擦磨损和耐腐蚀性能的目的,利用HCPEB技术对TC4钛合金表面进行Cr合金化。经HCPEB辐照后的样品表面发生熔化并形成大量的喷发状熔坑,其密度和尺寸随合金化次数的增加而减小。大量的合金化元素熔入基体形成合金化层,合金层厚度随着合金化次数的增加而增加。Cr-TC4合金层存在尺寸为2～5μm的β-Ti等轴晶和α’-Ti马氏体组织,合金层中还存在大量的Cr2Ti纳米颗粒。性能测试结果表明,辐照样品的表面硬度均得到显著强化,这是辐照样品表层诱发形成的纳米Cr2Ti（Laves）相和纳米晶等结构起到弥散强化和细晶强化的作用;辐照后的Cr-TC4样品表面摩擦磨损性能显著提高,这与样品表面粗糙度的降低、表面硬度的提高以及合金层厚度的增加有关;同时耐腐蚀性能也得到明显改善,这是由于Cr-TC4合金化样品表面生成了连续且致密的Cr2O3氧化膜。为了研究部分作为β相稳定剂的难溶金属的合金化,选择Mo和Nb作为合金化元素。其中HCPEB辐照Mo-TC4合金化体系样品后,表层晶粒发生明显细化,一些区域形成了大量的纳米晶结构,同时还发现了层片状马氏体,马氏体内部存在孪晶和高密度位错。辐照后形成的Mo合金层的厚度约为3.5μm,合金层中形成了大量弥散分布的Al5Mo纳米颗粒,为表面硬度的提高起到弥散强化的作用。为了提高合金层中合金元素的含量,利用机械合金化（Mechanical alloying,MA）与HCPEB辐照技术相结合,在TC4合金表面形成了与基体呈冶金结合的富Nb合金层,合金层连续而致密,表面性能也有所改善。利用HCPEB技术对纯镍为基体,Cr、W、Sn为合金化元素的三种体系进行表面合金化研究。其中,HCPEB合金化Cr/W-Ni体系样品后,样品表层形成大量的喷发状熔坑,熔坑的数量随辐照次数的增加而减小。在HCPEB辐照过程中,大量的合金化原子熔入基体形成合金层。且在表层诱发种类丰富、密度极高的晶体缺陷结构,如晶界、位错、位错胞/墙、孪晶等结构,这些缺陷结构为合金化元素提供了快速的扩散通道。HCPEB辐照后形成过饱和固溶体导致细小颗粒的析出,第二相颗粒更倾向于分布在晶界和晶体缺陷附近。Cr-Ni体系合金层的相结构由Ni（Cr）固溶体和金属间化合物Cr3Ni2构成,而W-Ni体系样品的合金层中形成了Ni（W）固溶体、GP区、莫尔条纹颗粒和Ni W相。HCPEB合金化后的性能测试结果显示,合金化样品的表面硬度均得到了显著提高,这主要归功于合金层中丰富的微观组态起到的应力强化、亚晶强化、弥散强化和固溶强化的共同作用。合适的合金化处理工艺可显著地改善样品的表面强度和耐腐蚀性能。除此以外,对Ni基体表面进行Sn合金化处理,仅对相结构、硬度和表面形貌进行了表征和测量,结果表明HCPEB辐照同样适合于低熔点元素的表面合金化改性,且合金层可以得到显著的强化。利用第一性原理计算模拟Ni表面Cr、W、Sn三种合金化体系的固溶强化,计算结果表明,合金元素的原子半径会影响合金层中Ni基固溶体体的晶格常数,进而导致基体的固溶强化,表现为硬度的提高。模拟计算结果显示,合金元素的原子半径越大,强化作用越显著,这与实验数据相吻合。