1928年6月，张学良执政东北，张学成开始怀有亲日倒兄的野心，这一年夏天，直鲁联军被北伐军击溃，随张宗昌逃往大连。百无聊赖、无枪无弹的张学成转身去投靠了石友三。石友三，是有名的倒戈将军，典型的见利忘义之徒，为人多疑，贪得无厌。早年跟随冯玉祥，是冯玉祥的“十三太保”之一。虽然是冯玉祥将他一手提拔起来，但他却忘恩负义，三度背叛冯玉祥，投靠阎锡山后反阎，投靠蒋介石后反蒋，投奔张学良后反张，联合共产党后反共，抗日又投降日本，最后被部下新8军军长高树勋活埋于黄河岸边，成了河畔孤鬼。
石友三
1930年中原大战爆发，原本投靠阎锡山、冯玉祥的石友三见张学良率军入关，冯阎军呈现败势，于是通电投靠张学良。1931年春天，石友三亲赴沈阳谒见张学良，以东北同乡的关系，向张学良输诚。张学良将其部收编为第13路军，驻防河北顺德，拥有兵力6、4万余人，每月领取定额军饷60万元。
石友三表面归顺张学良，暗中却又准备向北扩展，争夺“华北王”的宝座。1931年5月，汪精卫、陈济棠、李宗仁在广州另组国民政府，委他为第5集团军总司令。6月间，他密电张学成，要他与日本关东军联系，先攻平津、后占东北。7月，石友三在顺德宣誓就任第五集团军总司令职，以张学良所给军费甚少为由发出讨张通电，联合孙殿英、刘桂堂、张学成，督率各部沿平汉路北进，并扣押平汉路车皮，图谋不轨。7月24日，南京政府下令免去石友三本兼各职，派刘峙、胡宗南讨伐。东北军以万福麟为总司令，率于学忠、王树常两集团军进攻。石友三受到南北两面夹击，以失败告终。张学成隐居天津日租界。
张学成
九·一八事变爆发后，张学成再次出来活动，与日本浪人终日饮乐，还对周围人数典忘祖的说，自己虽是张氏宗族，但愿意与日本人一道来收拾残局。当时，汉奸凌印清刚刚被歼灭，日本关东军正在物色为日本效忠的代理人，张学成的媚态深为日本人赏识。关东军司令官本庄繁把张学成找到关东军司令部，对他说：“日军进攻东北原无侵占中国东北之意，本意促使张学良觉悟，脱离蒋介石的牢笼，速归东北，实行中日亲善，共存共荣，共同保卫满蒙，防御赤化势力的侵入。可是令兄张学良执迷不悟，反目为仇，现请你出来共同协力剿灭辽西的东北残军，恢复东北秩序。我保你做一个东北军政两方面的大首领。”
张学成马上表态说，“张学良是个糊涂虫”，他将“竭尽全力，效犬马之劳。”二人言来语去，十分投机。
日军进入东北
在本庄繁任命他为“东北自卫军总司令”职，张学成受宠若惊，当上自卫军总司令后，收编胡匪及凌印清残部并大肆招兵买马，设司令部于黑山县高山子附近，扩充了4000多人，下设8个支队18个旅，以滥发委任状的方式拉拢收编胡匪，扩大自己的势力，并扬言“要揭旗西进，与锦州驻军炮火相见”。
张学良
当时在锦州军政两署任职的米春霖、荣臻等人碍于他是张学良的堂弟，觉得很难处理。时任辽宁警务处长的黄显声亲赴北平，向张学良请示如何处置张学成投日当汉奸一事。张学良也颇感为难：他和学成从小一块长大，一同入讲武堂一期，毕业后又都从卫队营干起，二大爷已经不在了，学成是长子，一旦被处置，二大娘一家人决不会饶恕自己。然而 ，父亲被日本人炸死，至今尚未安葬，家乡被日寇占领，身为张家人不为叔叔报仇雪耻，反而为了自己的私欲而与日寇沆瀣一气，助纣为虐，这又怎能不令张学良失望和气愤？考虑再三，张学良决定大义灭亲，为稳妥起见，提议召开有张学文参加的家族会议。会上，大家一致同意张学良的意见，对背叛家族、背叛国家的人一定要严厉制裁。时隔60多年后的1986年，张学成的弟弟张学文从巴西回国省亲，向陪同的省政协领导赵杰等人讲诉了这一鲜为人知的细节。征得家人同意，张学良命令黄显声等人，派军队全歼张学成所部伪军。
黄显声
黄显声接到命令立即拍电报给熊飞、米春霖等令派军速剿。熊、米遂派公安骑兵部队于11月中旬前往高山子围剿。高山子一战，张学成和日本顾问等一伙4人被击毙，结束其叛国投敌的一生。日伪旅长荣廷等多人被生擒。经张学良批准，这股伪军被解散。张学良不顾私情大义灭亲，消灭张学成伪军，鼓舞了辽西抗日义勇军的抗日斗志，使日军暂时放弃了进攻辽西的计划。