近年来,航空航天领域对高端紧固件性能提出了更高的要求,如新一代航空发动机、火星探测等重大工程迫切需求1200MPa～1500MPa级超高强紧固件。钛（Titanium,Ti）及Ti合金的强度难以满足紧固件需求,Ti基复合材料是提高Ti合金强度的主要技术路线。石墨烯（Graphene nanosheets,GNPs）具有优异的力学能力、超大的比表面积和柔性特征,不仅可以提高Ti基复合材料的力学性能,还可以改善Ti基复合材料的强塑性。以其为增强相的GNPs/Ti复合材料具有满足超高强紧固件用材需求的良好潜质。针对GNPs/Ti复合材料的制备存在GNPs易团聚、与Ti基体界面反应严重等瓶颈问题,本文设计并实施复合材料棒材的“预分散+包套烧结+热挤压”工艺,研究GNPs分布规律、界面反应行为及增强断裂机制等内容;提出基于添加元素B的界面反应控制方法,对比揭示了常规包套烧结和放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering,SPS）下的B原子控制界面反应机理;优化形成“预分散+SPS+包套热挤压”新工艺,解决了GNPs团聚与界面反应问题,制备了界面良好的组织,获取了超高强的棒材。为验证其强塑性能力,采用“热镦+热滚压成型”工艺,试制了质量良好的柱头螺栓。首先,设计了“预分散+包套烧结+热挤压”工艺,制备出GNPs/Ti复合材料棒材。系统研究了GNPs含量、包套烧结温度对复合材料界面反应和组织演化的影响,探讨了增强相的强化与断裂机制。组织观察表明,随着GNP s含量增多,增强相尺寸增大,强度提升但延伸率下降。与之相比,烧结温度增大,界面反应严重,生成粗大的Ti C颗粒。拉伸测试表明,载荷传递和界面位错塞积是复合材料强化的主导形式,且界面表面积越大载荷传递效率越高;而界面结合强度则决定了其断裂行为,裂纹在GNPs与基体界面萌生、扩展并最终断裂。界面结合强度越低,扩展速率越快,导致复合材料延伸率越差。为进一步深入分析GNPs与Ti基体界面反应机制,研究了热挤压温度900℃～1100℃对复合材料组织性能的影响。结果表明,挤压温度升高至1000℃时,GNP s与基体发生严重界面反应,生成粗大Ti C颗粒,GNPs难以留存。另外,900℃挤压时,GNPs层间滑动,内层GNPs与基体形成新接触面,发生反应生成nano-Ti C片层。为抑制GNPs与基体的严重界面反应,提出添加元素B控制界面反应的方法,研究了B粉含量对复合材料组织与性能的影响,探讨B原子控制界面反应机制。结果表明,B原子优先向GNPs的空位和桥位扩散,降低了GNPs中C原子的活度,阻碍了其附近C原子向Ti基体扩散,降低了C原子的扩散速率,进而抑制GNPs与Ti基体的界面反应。另外,B原子与空位处相邻C原子形成B-C键,加强了GNPs抗拉强度,获得了抗拉强度1350MPa、延伸率8.9%的复合材料。为优化元素B控制界面反应方法,进一步提出了“预分散+SPS+包套热挤压”新工艺,在基于SPS烧结成形机制的基础上,重点开展了SPS烧结参数对含B复合材料界面反应及其组织影响的研究。结果表明,“焦耳热+放电热”综合作用形成了Ti球体表面局部高温场,该局部高温场有效促进了B原子的定向扩散,并优先固溶在Ti基体中。Ti基体中的固溶B与GNPs吸附的B原子,降低了Ti基体及GNPs中C原子活度,阻碍了C原子扩散及与基体Ti的反应。其中采用800℃/10min SPS烧结和1000℃包套热挤压参数获得了抗拉强度为1406MPa、延伸率为5.5%复合材料棒坯,成功试制了M8×21-6h柱头螺栓,验证了棒坯制备1400MPa级超高强紧固件的可行性。