中文摘要：

新型热障涂层材料有望将发动机叶片镍基合金的使用温度提高到1300℃，但常规NiCoCrAlY合金无法满足新一代热障涂层粘结层的使用要求，Ti2AlC系材料由于其金属键、共价键共存的价键特点，兼具金属和陶瓷的性能，在热膨胀系数、抗氧化性能方面满足粘结层的使用要求，是新型热障涂层粘结层的优选材料。但该类化合物单相稳定区很窄，且与多个相存在相平衡，在合成过程中经常伴生TiC、TiAl等杂相，严重影响材料的抗氧化性能。本项目拟通过CALPHAD技术结合量子力学计算方法建立Ti-Cr-Al-C热力学模型，应用相关软件，研究Ti2AlC系材料合成过程的相转变机制，指导热压合成实验。在制备单相材料的基础上，采用差热分析和高温真空扩散的方法，结合XRD、SEM、TEM等结构表征方法，研究材料在1100～1200℃与NiAl、Al2O3接触时的高温化学稳定性，为该材料在热障涂层粘结层材料应用展开基础研究。

结论摘要：

Ti2AlC、Cr2AlC是典型的MAX化合物，具有良好的热物理性能，其适中的Al含量有利于生成致密的Al2O3氧化层而使之具有优异的抗氧化性能在热障涂层过渡层、固体氧化物燃料电池连接体材料等领域的应用前景尤其受到关注。单相Ti2AlC、Cr2AlC化合物的制备是该研究的一个关键问题。研究表明，当存在某些第二相时，会严重影响化合物本身的性能。 制备单相Ti2AlC、Cr2AlC化合物难度较大，这主要是由Ti-Al-C和Cr-Al-C体系复杂的相关系决定的。以Ti-Al-C为例，体系中存在Ti2AlC、Ti3AlC和Ti3AlC2三种三元化合物与9种二元化合物，Ti2AlC与TiC、TiAl 及Ti3Al等二元化合物均存在相平衡关系。制备Ti2AlC过程中极易存在杂相，成分设计时，应尽量避免生成TiAl、TiC及Ti3Al等有害杂相，使成分落在Ti2AlC与Ti3AlC2的相平衡区内。同时，组元Al的饱和蒸气压远高于其他组元，会造成合成过程中组元Al的严重损失，偏离通过相关系研究设计的成分点，从而使产物偏离要求的相平衡区域。要制备出单相化合物，需要对合成过程中的相转变机制及元素挥发损失的情况有清晰的认识，进而严格控制原料成分和工艺条件。 本研究拟利用CALPHAD（相图计算）材料设计平台，预测多元体系的相平衡关系和相转变情况，并通过计算各组元的蒸气压，预测它们不同温度下因挥发造成的损失程度。通过CALPHAD方法研究合成单相化合物所需的原料配比和工艺条件，来减少实验探索的盲目性。 进行CALPHAD研究的必要条件是所研究体系和热力学数据库。根据研究需要本论文以Al-Cr-C-Ti-O体系作为重点，根据热力学和相平衡行为自洽一致性原理，建立热力学数据库。数据库中除Al、Cr、C和Ti四个元素外，还包含了O元素，是基于研究Ti2AlC、Cr2AlC氧化性能的需要。 本研究建立了Al-C-Cr-Ti-O体系的热力学数据库，采用CALPHAD方法来预测合成单相Ti2AlC、Cr2AlC的条件。针对合成时发现的元素损失问题，计算了各组元的饱和蒸气压，并预测了组元的挥发速度，提出抑制成分偏析的措施。研究了所合成Ti2AlC、Cr2AlC化合物的高温抗氧化性能，并对氧化产物分层现象做进行了分析和讨论。