钛铝基合金具有较高的比强度、出色的高温机械强度以及优异的抗蠕变性能,已成为航空航天领域最具潜力的高温结构材料之一。然而,因在高温环境下抵抗环境侵蚀和摩擦磨损等方面性能的不足一定程度上制约钛铝基合金的进一步开发和应用。因此,如何提高钛铝基合金在高温条件下的抗腐蚀、抗磨损以及抗氧化性能已成为当今高温合金领域研究的热点和重点。由于磨损、腐蚀和氧化皆属于金属表面的失效形式,故可通过表面改性的方式在不破坏钛铝合金整体力学性能的同时赋予或提高其在高温环境下抵抗磨损、腐蚀和氧化的能力。本文采用磁控溅射技术在γ-TiAl合金表面制备了元素成分和结构性能呈梯度变化的Al₂O₃/Al热防护涂层。对涂层的组织结构和力学性能进行检测分析后发现,本文优化工艺参数下制备的Al₂O₃/Al梯度热防护涂层主要由α-Al₂O₃相和Al相组成,厚约20μm,无孔洞和微裂纹,涂层由表及里包含完整的Al₂O₃表面防护层、中间富Al层和扩散过渡层;涂层明显提升了基体γ-TiAl合金的显微硬度、纳米硬度以及弹性模量,并且在划痕实验、拉伸剥离实验以及热震实验综合分析检测下,Al₂O₃/Al涂层与基体γ-TiAl合金表现出较为理想的结合强度。论文研究了Al₂O₃/Al梯度热防护涂层在850和900℃时的高温熔盐腐蚀行为,并对腐蚀机理进行了探讨分析。研究结果发现:在经850℃腐蚀实验后,涂层试样表面呈针状形貌,由Al₂O₃、TiO2和TiAl3相构成。在实验过程中,涂层试样始终保持完整,未发现开裂、剥落现象,表现出较好的抗腐蚀氧化性能。在900℃实验条件下,由于Na2SO4呈熔融状态,活泼的Na离子和S离子侵蚀破坏了表层Al₂O₃膜、降低了Al₂O₃/Al涂层的保护性。随着Na和S离子不断深入并与涂层和基体中的金属元素直接发生化学反应,生成了大量的反应气体和黏着性较差的氧化物和硫化物,使得涂层在膜层界面处出现裂纹并扩展,并最终导致涂层开裂、剥落。因此,在900℃腐蚀实验条件下,Al₂O₃/Al梯度热防护涂层的抗熔盐腐蚀性能依然不足。论文研究了Al₂O₃/Al梯度热防护涂层在不同载荷、不同转速以及不同温度下的摩擦磨损行为,并对磨损机理进行了探讨分析。研究结果发现:基体γ-TiAl合金表面制备Al₂O₃/Al涂层后,其高温耐磨性能得到有效的提高,摩擦系数和磨损率较之基体更小,摩擦系数曲线更加稳定。高温摩擦磨损实验中,基体的主要磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;而Al₂O₃/Al涂层试样主要以磨粒磨损和粘着磨损为主,另伴有少量的氧化磨损。在部分实验条件下,Al₂O₃/Al涂层试样表面出现碎裂、剥落现象,而碎裂的Al₂O₃/Al涂层碎屑以及实验中产生的TiO2和Al₂O₃氧化物颗粒起到摩擦润滑剂的作用,一定程度上减小摩擦副之间的摩擦力和摩擦系数,起到了减磨的效果。论文研究了Al₂O₃/Al梯度热防护涂层在700、800、900和1000℃时的高温氧化行为,并对氧化机理进行了探讨分析。研究结果发现:随着氧化温度的升高,Al₂O₃/Al梯度热防护涂层对基体γ-TiAl合金的抗氧化性能提升越为明显。而在700¹000℃的氧化实验中,Al₂O₃/Al涂层试样始终保持较好的抗氧化性能,未出现开裂、剥落的现象,α-Al₂O₃为表面氧化层的主要组成相并在抗高温氧化性能中发挥了重要作用,在本文最高氧化温度1000℃下涂层试样的氧化增重仅为1.43mg?cm-2。在高温氧化过程中,由于Ti和Al元素的互扩散,Al₂O₃/Al涂层由表层Al₂O₃层、中间富Al层与扩散过渡层的结构形式逐渐向表层氧化膜与Ti-Al互扩散层的结构形式转变。从XRD检测结果来看,经高温氧化实验后涂层主要由α-Al₂O₃、Ti-Al金属间化合物以及少量的TiO2组成。在高温条件下,中间富Al层的互扩散作用不但减小了涂层中因结构差异而产生的内应力、阻碍了Ti元素的外扩散,更为表面持续生成致密的Al₂O₃膜提供了充足的Al源。