Ti2AlNb合金因其优异的比强度、高温抗氧化性和蠕变抗力，被视为替代镍基高温合金的下一代航空发动机关键材料。近年来，通过构建Ti2AlNb/Ti-6Al-4V双钛异质结构实现性能互补成为研究热点，二者结合实现的“高温端-低温端”性能最优配置展现出极大的成本效益优势。本文通过结合激光定向能量沉积与超声表面强化工艺制备了以Ti-6Al-4V为基体的Ti2AlNb/Ti-6Al-4V双钛异质结构，首先探究了表面强化工艺及层间冷却策略对激光定向能量沉积Ti2AlNb初始断裂韧性的影响规律，结果表明消除层间热积累的层间冷却策略使Ti2AlNb的室温断裂韧性由25.28提升至31.78MPa·m^1/2，提高了25.7%，而叠加超声表面强化后能够使室温断裂韧性进一步提升至50.71MPa·m^1/2。室温韧性的强化机制在于两方面：其一，层间冷却策略抑制了高温热循环对O相的相变诱导作用，导致材料相组织经历B2+O+α2→B2转变：其二，层间冷却策略与超声表面强化处理的结合产生细晶强化并促进了晶粒等轴化，因此室温韧性大幅度提高。随后针对Ti2AlNb/Ti-6Al-4V双钛异质结构开展了不同方向下的三点弯曲实验，探究了层间超声表面强化对各向异性加载响应的影响。结果表明，Ti-6Al-4V基体侧受载时异质结构的断裂韧性提升幅度最大（54.3%）。分析了异质结构试样在不同方向受载时的裂纹扩展机制及断口形貌，结果表明层间超声表面强化后断裂扩展路径出现更多裂纹桥接、钝化以及二次裂纹，断口形貌由解理断裂转变为准解理断裂特征，局部出现微小韧窝。最后，探究了层间超声表面强化对异质结构结合强度的影响，发现层间超声表面强化后双钛异质结构的剪切结合强度由570.9MP提升至647.3MPa，提高了13.4%。层间超声表面强化后界面过渡区组织由粗大α₂转变为均匀密集的细小α₂/O，且结合区域附近的Ti2AlNb和Ti-6Al-4V组织晶粒均发生细化，因此界面结合性能提升。

激光定向能量沉积；Ti2AlNb合金；表面超声强化处理；异质结构；断裂行为；结合性能