【摘 要】
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在航空发动机上采用质量更轻、强度更高、耐热温度更好的材料,可显著提高发动机的服役性能。TiAl合金由于密度小（约3.9 g/cm~3,不足Ni基高温合金的一半）、比强度高,在航空发动机领域受到广泛关注。但TiAl合金服役温度只有700-900℃,无法满足先进航空发动机的服役温度要求,因此需要在其表面涂覆耐高温热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）。等离子喷涂技术是当
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在航空发动机上采用质量更轻、强度更高、耐热温度更好的材料,可显著提高发动机的服役性能。TiAl合金由于密度小（约3.9 g/cm~3,不足Ni基高温合金的一半）、比强度高,在航空发动机领域受到广泛关注。但TiAl合金服役温度只有700-900℃,无法满足先进航空发动机的服役温度要求,因此需要在其表面涂覆耐高温热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）。等离子喷涂技术是当前制备TBCs的主要技术手段之一,可有效提高金属基材的耐高温性能。基于此,本文利用等离子喷涂技术开展了TiAl合金表面新型高隔热性能的TBCs制备和耐高温性能的研究工作。通过对TBCs的陶瓷隔热层和粘结层的成分与结构设计、优化,制备了YSZ和Gd2Zr2O7两种不同陶瓷隔热层和不同粘结层结构的TBCs,并对所制备的YSZ和Gd2Zr2O7 TBCs体系的耐热冲击、高温隔热和长时服役性能进行了深入研究。通过观察和分析TBCs体系的宏观和微观结构演变、残余应力变化以及涂层与基体的结合情况、涂层的力学和热物理性能,探究了所制备TBCs的服役性能和失效机理。修正了TiAl合金表面TBCs的仿真模型,计算了体系在热冲击过程中的应力演变以及内部的残余应力分布情况。成功实现了TiAl合金表面具有优异高温性能TBCs的制备,为TiAl合金在航空发动机上的应用奠定了实验基础。本文主要内容和结论如下:（1）对TiAl合金表面的粘结层进行结构设计,制备出与TiAl合金基材兼容性良好的粘结层。当使用TiAlCrY作为粘结层时,涂层内的残余拉应力小于NiCrAlY涂层,并且界面无新的相生成。结合常规YSZ隔热层所构建的双层型结构TiAlCrY/YSZ涂层（YSZ,Yttria Partially Stabilized Zirconia,氧化钇部分稳定氧化锆）1100℃耐热冲击性能优异。含应力缓解层的TiAlCrNb/TiAlCrY/YSZ三层型结构涂层耐热冲击性能进一步提升,在1000℃、1100℃和1200℃的热冲击循环寿命分别约为425次、245次和75次,相比TiAlCrY/YSZ涂层提高了约70%。（2）采用等离子喷涂技术,在TiAl合金表面制备的新型TiAlCrY/Gd2Zr2O7TBCs,在1100-1300℃高温环境中的隔热温度为230-390℃,相比同等厚度的TiAlCrY/YSZ涂层提高了70-90℃,这对TiAl合金在先进航空发动机上的应用具有重要的意义。（3）研究发现了TiAl合金表面,YSZ和Gd2Zr2O7为隔热层的TBCs两种完全不同的失效形式。以YSZ为隔热层的TBCs的失效形式是粘结层的氧化开裂,而以Gd2Zr2O7为隔热层的失效形式则是Gd2Zr2O7涂层的逐渐剥落。（4）高隔热的TiAl/TiAlCrY/Gd2Zr2O7体系具有优异的耐热冲击性能,在1000℃、1100℃和1200℃环境中的热冲击循环寿命分别约为300次、100次和50次,约是同等试验条件下相同隔热效果Ni/NiCrAlY/Gd2Zr2O7体系的25倍。（5）构建并修正了TiAl合金表面TBCs的有限元仿真模型,并对其等离子喷涂和热冲击过程进行了仿真模拟。通过对比仿真与实验结果,论证了有限元模型的可行性,并从理论上深入分析了涂层体系的失效机制,为TiAl合金表面TBCs的材料选择和结构设计提供了指导。
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