钛及钛合金具有密度低、比强度高、抗蚀性能佳等优点,成为航空航天领域理想的结构材料。而航空工业的高速发展对其构件性能愈加要求苛刻,传统观念下,研究者总是追求钛基复合材料的增强相和基体呈均匀分布,仅产生有限的增强。因此,本文以石墨烯纳米片（GNPs）为增强体,广泛应用的纯钛和Ti-6Al-4V（TC4）为基体,利用粉末冶金调控GNPs的分布形态及基体的变形建立复合材料的多尺度结构,改善其性能。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射仪（XRD）等表征复合粉体形貌及特性、材料组织结构等,测试了复合材料硬度、压缩等力学性能,探究不同高能球磨体系下石墨烯及尺度结构对其组织与力学行为的影响。利用不同高能球磨时间（0,2,5,10,15 h）制备单尺度构型GNPs/TC4复合材料,随球磨时间增加,复合粉体细化越明显,同时原位生成TiC。烧结后复合材料晶粒逐级细化,晶界TiC相层逐渐变厚,改善强度和硬度,塑性下降。球磨10h时,强度（1929 MPa）和塑性（17%）达到良好平衡,15 h时强度最高。利用不同粗细晶比例（9:1,8:2,7:3,6:4,5:5）建立双尺度构型GNPs/TC4复合材料,采用最高强度球磨粉体为细晶粉体与GNPs球磨混合,再加入粗晶粉体即原始TC4作为基体粉体。随细晶含量增加,“核-壳”结构越明显,细晶“壳”层变厚,提升强度和硬度,降低塑性。强塑性匹配最佳比例为7:3,其屈服强度1287 MPa,延伸率13%。利用三种不同球磨方式并引入不同GNPs含量制备分级复合构型GNPs/Ti复合材料。分步加入GNPs时,组织存在多种TiC形态且石墨烯较完整,提高强度。分步加入Ti时,形成非均质结构,晶粒间应力重新分布,改善塑性。随GNPs含量增加,强度增大,分步加Ti的0.5 wt.%GNPs/Ti复合材料压缩屈服1256 MPa,硬度为480 HV,比纯钛分别高出402%和238%。较于对照组均质组织的有限增强,非均质组织材料晶粒尺寸差异造成位错塞积,使其具有协调变形能力,改善力学性能。