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金属热防护系统(TPS)是可重复使用运载器(RLV)的关键技术之一。与传统的陶瓷防热瓦相比,金属TPS具有绝热有效、重量轻、结构简单、容易安装替换等优点,其中最为关键的部分是能够耐高温、抗氧化的面板材料。本文采用了电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术成功地制备了可用作TPS防热面板的TiAl、TiAl/Nb和TiAl/NiCoCrAl三种TiAl基合金薄板;同时还借助一些现代分析测试手段(SEM、XRD、AFM、DTA等)对其组织性能进行了研究;结合EB-PVD的工艺特点,利用热力学理论对TiAl合金材料的组织形貌的形成原因进行了分析;并对TiAl合金和TiAl/NiCoCrAl层板复合材料的抗氧化性进行了对比研究。TiAl合金的横截面的显微形貌内部自然分层且为柱状晶组织,柱状晶的形成与基板温度和沉积速率有关。在TiAl/Nb和TiAl/NiCoCrAl层板复合材料内部交替叠加的TiAl层和韧化层(NiCoCrAl层或Nb层)分布均匀,界面明晰,但在TiAl层中都未发现自然分层现象。较短的蒸镀时间和韧化层对TiAl层中Al元素蒸镀的延缓作用是产生这一现象的主要原因。研究TiAl合金薄板高温真空退火处理前后的组织变化特点,借助差热分析明确了其退火扩散机制。结合蒸镀理论,通过详细的热力学分析解释了TiAl合金薄板的组织自然分层现象。在常温下,三种材料中TiAl/NiCoCrAl具有最好的强度和韧性;在750℃的高温下,除了TiAl合金外,层板复合材料都表现出明显的屈服现象,具有了很好的塑性;因此,韧化层能降低其脆-韧转变温度。从断口形貌分析来看,TiAl/NiCoCrAl层板复合材料的强化机制主要为细晶弥散强化,该材料的韧化机制主要为裂纹的偏转、微桥接和弯曲增韧机制。将TiAl和TiAl/NiCoCrAl这两种材料在850℃下进行了100小时的恒温氧化实验,并对氧化增重和氧化膜形貌进行了比较分析。虽然两种材料的恒温氧化动力学曲线都近似符合抛物线规律,但TiAl/NiCoCrAl的抗氧化性要好于TiAl合金的。为了更直观的分析TiAl/NiCoCrAl层板复合材料的抗氧化机理,先对其进行了真空热处理来分析其扩散机理;最终研究表明,在其表面后生成的Cr2O3、NiAl2O4等保护性氧化膜覆盖在先生成的TiO2氧化膜上,形成了相对致密的膜,是其抗氧化性显著提高的根本原因。