为了解决TC4合金在高温服役环境下所存在的氧化和氧脆的问题,本文采用微弧氧化表面改性技术在TC4表面沉积热保护复合陶瓷涂层,在Al-P和Al-P-Zr两种电解质体系中进行微弧氧化,优选出MAO复合陶瓷涂层的最佳工艺参数。利用XRD、SEM,EPMA,Raman等分析手段对涂层的相组成、表面形貌、元素分布和微观组织进行表征,研究了涂层的热致失效行为,即抗高温热震性能和抗高温氧化行为,并对其机理进行分析。采用正交优化设计方法安排实验,以涂层的生长速度、表面孔率、表面孔径大小和表面粗糙度构造指标函数,研究了电参数、电解液温度和氧化时间对钛合金表面复合涂层的影响规律,得到TC4表面原位生成复合陶瓷涂层的最佳工艺参数为:脉冲频率550Hz、电压425V、占空比4%、电解液温度20℃和氧化反应时间120分钟。涂层的生长速度与表面质量主要由单脉冲的放电能量决定,增大脉冲电压、降低频率、提高占空比均能使单脉冲的放电能量增大,从而提高涂层的生长速度。但同时,随着放电能量的增大,微区等离子放电也更加强烈,这使得等离子放电通道形成物凝固后留下的表面微孔具有更大孔径,涂层表面也变得更加粗糙。MAO复合陶瓷涂层的性能和组织结构均取决于电解液体系,因此在Al-P体系电解质中掺杂微米ZrO₂颗粒,在TC4表面获得复合陶瓷涂层。含Zr和不含Zr的复合陶瓷涂层均呈现内层致密、外层疏松,表面多微孔的特征结构。含Zr复合陶瓷涂层表面粗糙度和厚度均高于不含Zr复合陶瓷涂层,掺杂粒子ZrO₂的存在有利于涂层的生长,但不利于涂层表面光洁度。含Zr复合陶瓷涂层的主晶相为Al₂TiO₅、金红石和ZrO₂,没有发现刚玉相的存在。不含Zr复合涂层的主晶相为Al₂TiO₅、金红石和锐钛矿,且金红石与锐钛矿的质量百分比为61.5%。Zr元素是在电泳作用下而非扩散作用下向内迁移,并且在氧化反应初期和末期时,ZrO₂颗粒的电泳沉积效应更为显著。Al元素通过放电通道的“短路径”向膜基结合界面处迁移,并且Ti元素在界面处存在较高的浓度,表明MAO复合陶瓷涂层氧化物的生成行为主要发生在膜基界面相邻区域。采用实验表征和数值模拟相结合的方法,对TC4表面微弧氧化两类复合陶瓷涂层的抗热震性能进行了研究。分析结果表明:在温差980℃下循环50次后,其表面未出现任何肉眼可见的微裂纹,且其界面未出现脱粘的现象。模拟结果表明:热应力与基体厚度呈线性关系,而与涂层厚度呈抛物线关系;在膜基结合界面区,径向拉伸应力和轴向压缩应力均达到最大值;在涂层自由表面处,径向压缩应力和轴向拉伸应力均达到最大值。轴向压缩应力有利于提高膜基结合强度,而轴向拉伸应力决定了涂层是否发生破坏。涂层优异的抗热冲击性来源于涂层特殊的微结构和力学性能,以及良好的界面结合强度。研究了制备态和处理态MAO复合陶瓷涂层在不同温度下的恒温氧化行为和循环氧化行为,结果表明:在TC4表面沉积的MAO复合陶瓷涂层具有优异的抗高温氧化能力,在1000℃循环氧化100次或恒温氧化110小时后,涂层表面未出现任何涂层剥离的现象,能够用作基体TC4的热保护涂层。封孔处理后的MAO涂层具有优异的抗氧化能力,与空白件相比,其最大增重降低了约90%,平均氧化速率降低93.3%,其循环氧化和恒温氧化曲线均大体遵循抛物线定律。其高温氧化行为主要取决于主晶相Al₂TiO₅的稳定性,在温区860℃-1280℃之间,β-Al₂TiO₅属于热力学非平衡态,会发生分解反应生成母相氧化物Al₂O₃和TiO₂。新生成的Al₂O₃在涂层表面可以形成连续的致密层,能够阻止氧气介质与TC4基体的接触,不但可以提高TC4基体的抗氧化性能,而且能够形成热障。