随着热喷涂技术的不断发展,热喷涂陶瓷涂层被广泛运用于航空航天、军事乃至普通民用机械铁基零部件表面的耐磨和防腐等领域。随着工业服役条件越来越苛刻,对涂层的性能提出了更高的要求,由于陶瓷涂层的热膨胀系数、力学性能、晶格结构等与金属/合金粘结层差异较大,粘结层与陶瓷层的界面决定了整个材料的服役寿命,这极大的限制了热喷涂陶瓷涂层更广泛地运用。铁基零部件表面Al₂O₃-40wt%Ti O₂（AT40）耐磨陶瓷涂层失效主要是陶瓷面层与粘结层界面的裂纹扩展而导致的耐磨陶瓷涂层片状剥落。从目前耐磨陶瓷涂层的失效方式来看,粘结层与陶瓷涂层界面力学性能梯度是导致耐磨涂层失效最重要的原因之一。然而界面力学性能梯度与粘结层材料的选择和界面结构的设计有极大的关系,尤其是不同的界面结构具有不同的结合机理,至今对界面结合机理尚存争议。而且目前不同粘结层材料构成的不同界面结构的失效机制也不甚清楚,对耐磨陶瓷涂层的粘结层材料选择和界面结构设计缺乏具体的理论支持和系统的界面力学性能研究。本课题通过铁基磨损零部件的工况分析优选了AT40陶瓷面层。在金属（Cu）和合金（Fe Cr Al）粘结层与AT40陶瓷面层的传统双层结构界面研究的基础上,通过热处理工艺设计制备了Cu-AT40耦合界面和Fe Cr Al-AT40原位氧化物钉扎界面。通过界面结构设计和粘结层材料优选对比研究了非晶-AT40连续梯度过渡界面和Cu-Ti₃Al C₂纳米复合连续梯度过渡界面。对不同界面结构的微观结构和相组成进行了系统分析,揭示了不同界面结构的结合机理,对不同界面的力学性能进行了多尺度的测试和分析。通过对比不同粘结层材料的不同界面结构的界面力学性能,结合铁基零部件的服役工况优选出铁基零部件表面AT40耐磨陶瓷涂层的粘结层材料和界面结构。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对陶瓷层与粘结层界面进行微观结构和物相分析,利用能谱仪、电子探针微量分析仪、电子背散射衍射和X射线衍射仪对界面进行元素分布、物相分布和晶粒尺寸的研究,然后利用纳米压痕、显微压痕、三点弯曲（3PB）测试技术和粘接-拉伸法对界面进行多尺度力学性能和失效分析。围绕铁基零部件表面AT40耐磨陶瓷涂层的粘结层材料和界面结构优选,揭示不同界面结构的结合机理和失效机制。对约15组、共约700个Q235基体表面耐磨陶瓷涂层体系样品进行了超过19000次微观结构表征和力学性能测试,根据试验结果系统分析了不同界面的结合机制、多尺度力学性能和失效机制,得到了如下主要研究结论:双层结构界面:传统双层结构界面主要以机械嵌合的方式连接,Cu-AT40界面通过900 ^oC/12h的Ar气氛保护下热处理在界面上生成由Cu Al O₂、Cu Al₂O₄、Al₂O₃、Ti O₂和Cu混合构成的不足10μm的耦合界面层,该耦合界面实现了粘结层与陶瓷层的冶金结合,提高了超过37.5%的界面粘结强度。Fe Cr Al-AT40界面在Ar+1 vol%O₂气氛下进行了900 ^oC/12h的热处理,在界面孔隙中生成了大量条状Al₂O₃并与陶瓷层相连,形成了原位氧化物钉扎界面,该界面缓解了因陶瓷和合金原子键合方式差异而导致的界面失效问题。在粘结层中界面附近先生成的Al₂O₃阻碍了热处理过程中后续O的进入,形成了从粘结层到基材Al₂O₃的梯度分布现象,从而形成弹性模量梯度粘结层。弹性模量梯度-原位氧化物钉扎界面改善了界面两侧的力学性能梯度,提高界面粘结强度超过20%。连续梯度过渡界面:通过大气等离子喷涂两路同时送粉一次喷涂技术在铁基体表面成功制备了AT40-非晶(Fe₅₆C_r23Mo₁₃B₈)连续梯度过渡界面。该界面中陶瓷相从非晶粘结层到陶瓷层呈现非晶相逐渐减少和陶瓷相逐渐增多的梯度微观结构,通过喷涂工艺设计实现了成分的梯度变化,形成模糊化界面,使硬度和断裂韧性形成梯度过渡。该界面进一步降低界面两侧的力学性能梯度,提高了界面断裂韧性和抗裂纹扩展能力,证实非晶-陶瓷连续过渡界面是改善热喷涂陶瓷复合涂层机械性能可行的新选择。纳米复合涂层:（1）通过热诱导使非晶粘结层部分结晶,形成大量合金和固溶体的纳米颗粒,成功在粘结层中原位引入纳米颗粒,制备了纳米复合粘结层。该粘结层具有较高的硬度和杨氏模量,显微压痕测试中有效抑制了裂纹的扩展,提高了涂层界面性能。（2）基于Ti₃Al C₂在高温下易分解和氧化的特性,通过大气等离子喷涂成功制备了纳米复合粘结层。涂层中出现了大量的纳米陶瓷相,铜在纳米陶瓷颗粒周围形成空间网状结构。通过3PB试验,纳米复合粘结层的断裂韧性高达9.4 MPa·m^1/2,并且能量释放速率仅为15.1 Nm^-1,显示出良好的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。经900 ^oC/12h的Ar气氛保护下热处理产生了更多纳米陶瓷颗粒和网状铜的梯度互穿结构,将陶瓷面层与基体紧密连接在一起。纳米颗粒和固溶体,有效地阻碍了涂层中裂纹的扩展,提高了涂层性能。纳米复合梯度过渡界面:通过Cu/Ti₃AlC₂混合粉末等离子单路送粉一次喷涂技术成功制备了纳米复合连续梯度过渡粘结层,具有大量尺寸大约为30 nm-200 nm的Al₂O₃和Ti O₂纳米颗粒。Cu/Ti₃Al C₂-AT40纳米复合连续梯度过渡涂层与传统双层结构涂层相比其界面粘结强度提高超过80%。经900 ^oC/12h热处理,与传统双层结构涂层相比其界面粘结强度提高了151.99%。四种涂层体系界面硬度和弹性模量梯度从小到大的顺序为:Cu/Ti₃Al C₂-AT40纳米复合连续梯度过渡涂层、非晶-AT40连续梯度过渡涂层、Fe Cr Al-AT40双层原位氧化物钉扎界面涂层、Cu-AT40双层耦合界面涂层;界面粘结强度从大到小依次是:Cu/Ti₃Al C₂-AT40纳米复合连续梯度过渡涂层、Cu-AT40双层耦合界面涂层、Fe Cr Al-AT40双层原位氧化物钉扎界面涂层。通过耐磨铁基零部件的服役环境、粘结层与AT40耐磨陶瓷涂层界面力学性能梯度和界面粘结强度的综合分析,Cu/Ti₃Al C₂-AT40纳米复合连续梯度过渡粘结层是铁基零部件表面AT40耐磨陶瓷涂层的优选粘结层。