鉴于原位自生颗粒增强钛基复合材料在提高材料比强度和比刚度的同时,会不可避免地使材料的塑性和韧性降低,本研究借鉴自然界中具有优异力学性能的生物材料微观结构,合理设计出多层结构的原位自生钛基复合材料。借助显微组织和力学性能分析,研究层状结构设计对钛基复合材料强度和塑性的影响规律与内在机制,并逐渐优化工艺,开发出较为简单和高效的层状钛基复合材料原位合成方法。固态渗碳处理能够显著强化Ti-6Al-4V合金及其复合材料的表面,相比于未处理材料其硬度可以提高一倍,在此基础上,本研究通过离子渗碳结合热压连接的方法制备出纯钛片和渗碳钛片交替层叠的层状结构钛基复合材料。但是由于渗碳钛片表面脆性过高导致层间界面容易开裂,层状结构钛基复合材料表现出低应力脆性破坏的特征,断裂延伸率仅为0.53%。借助粉末冶金方法的高度可设计性,结合纯钛与LaB₆化合物的自发原位反应,采用1300℃真空烧结制备了相对密度95%以上的层状结构Ti-（TiB+La₂O₃）/Ti复合材料,并引入1050℃的高温热轧优化显微组织。结果发现:加工态复合材料中孔隙缺陷完全消失,基体晶粒明显细化;复合层中团聚的增强体颗粒与Ti-La-O絮状颗粒被分散并沿轧制方向排列;层状结构Ti-（TiB+La₂O₃）/Ti复合材料表现出优异的综合力学性能,与均匀增强的（TiB+La₂O₃）/Ti复合材料相比强度降低不足4%,但是延伸率却从13%提高到17%,增加了30%以上。采用改进的粉末冶金结合热加工方法制备了不同增强体体积分数的层状结构Ti-（TiB+TiC）/Ti复合材料。结果表明:1200℃真空热压烧结后,复合材料实现完全致密化;950℃热锻处理后,复合层中团聚的增强体被分散,纯钛层α晶粒沿锻造方向排列;层状钛基复合材料室温抗拉强度较纯钛提高近一倍,退火后延伸率明显提升;同时,随增强体含量增加,强度稍有提高,但塑性下降较为明显,其中TiB和TiC含量为5%层状复合材料具备优异的综合力学性能,与增强体含量15%相比强度降低仅4%,而延伸率增加3.8倍。层状结构的引入可以使钛基复合材料表现出优异的综合力学性能,主要是因为:高强度复合层可以阻止纯钛层发生局部塑性变形,提高其均匀塑性变形能力;同时高塑性纯钛层可以明显钝化来自复合层的裂纹并阻碍其扩展,避免材料迅速破坏。上述研究结果可以为制备新型高性能层状结构钛基复合材料提供实验数据和理论基础。