本文基于热障涂层(TBCs)系统优良的隔热和抗高温腐蚀性能，采用大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在低散热内燃机用铝合金材料和铸铁材料基体上分别制备了8YSZ陶瓷涂层和CoNiCrAlY粘结层，研究了双层结构热障涂层的服役寿命和失效机理。针对热障涂层与基体之间热膨胀性能不同所引起的界面失效问题，提出了以Ni基化学镀层为过渡层的涂层体系改进方案。研究了过渡层对于涂层的结合强度、服役寿命、破坏形式和失效机理的影响。所获得的主要研究成果如下：首先，采用ANSYS软件建立了喷涂有热障涂层的活塞三维稳态有限元模型。研究了铝合金活塞和铸铁活塞顶部热障涂层的温度和应力分布，以便于从力学角度解释涂层失效的原因。研究表明热障涂层可显著提高活塞顶部的工作温度。随着陶瓷层厚度的增加，陶瓷层的表面温度逐渐升高，基体表面温度和涂层界面处热应力的幅值均逐渐降低。对于两种基体在粘结层与基体界面处的应力幅值均较高，使涂层易于在此区域发生断裂而失效。其次，采用热震系统研究了2A70铝合金基体上热障涂层的抗热震性能和破坏形式。通过实验分析阐明了双层结构热障涂层的失效机理，评估了化学镀过渡层对于涂层失效机理的作用。研究表明铝合金基体上热障涂层的寿命约为60次。化学活性高的Mg和Al元素在基体表面和裂纹表面与O结合形成的脆性氧化层在交变应力作用下发生破裂而使裂纹扩展导致涂层失效剥离。加入过渡层后，涂层的热震寿命有了大幅度提高。带有Ni-P镀层和带有Ni-Cu-P镀层的热障涂层寿命分别提高至约600次和300次。过渡层与基体之间的互扩散在两者界面处生成了双层结构的Ni-Al化合物扩散层以及颗粒，Ni-Al相脆性大和变形能力差的特点导致在扩散层与基体的界面处发生断裂。最后，通过对QT-500球墨铸铁基体上热障涂层的抗热震性能和失效形式的研究，阐明了水淬条件下铸铁基体上热障涂层的失效机理。试验中测试了以化学镀层为过渡层来延长热障涂层寿命的方案。研究表明铸铁基体上双层结构热障涂层的热循环寿命约为1000次，而加入了化学镀保护层后，经过约1400次的测试，试样表面的陶瓷层仍旧比较完整。涂层中的贯穿型纵向裂纹扩展至基体表面后，在基体表面生成了主要由Fe和Si的氧化物组成的氧化区。加入过渡层后，在镀层失效的区域，在粘结层和镀层界面处以及镀层和基体界面处均分别生成了具有双层的结构的氧化层。化学镀过渡层对于铝合金基体和铸铁基体上热障涂层的抗热震性能均有明显的改善作用。过渡层的加入有效地缓解了热障涂层和基体之间的热失配应力。此外，过渡层也改善了铸铁基体的抗氧化性能。总体而言，以化学镀层作为热障涂层与铝合金基体或铸铁基体之间的过渡层是提高涂层热震寿命的一种技术方案。