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、抗氧化的表面材料。本文采用了电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术成功地制备出大尺寸、高强度的镍基高温合金面板，不仅对EB-PVD的工艺特点进行了研究，同时还借助一些现代分析测试手段研究了合金的组织结构、力学性能以及抗氧化性能，为合金安全、可靠地使用提供了理论依据。研究内容主要包括：高温合金薄板的制备方法、薄板厚度均匀性研究、热处理工艺的制定、组织结构分析、γ'形貌演化、力学性能及其变形特征、残余应力的测定和模拟以及抗高温氧化性能研究等。　　薄板厚度分布的均匀性是决定其性能的一个重要指标，均匀性的好坏将直接影响到薄板的各项使用性能。本文从真空蒸镀中使用的小平面蒸发源理论出发，针对电子束物理气相沉积技术中为改善薄板厚度分布所须旋转大基板进行蒸镀的情况，建立了厚度分布预测模型；并利用该模型对不同的坩埚位置所沉积的薄板厚度进行了定性分析，从而实现了对坩埚与基板相对位置的优化，使基板上沉积的薄板厚度分布可以达到最均匀的状态。最后通过 K值的提出对实际沉积的薄板厚度进行了较为精确的预测，证明了本文所建立数学模型的合理性。　　制备态合金靠近基板的表面形成了等轴晶，而远离基板的表面则形成了柱状晶，平均晶粒大小为200nm左右，材料的组织结构疏松，孔隙率较高，相分析表明基体中没有出现γ'沉淀强化相。为了得到适当的组织形貌和较好的力学性能，通过差热分析和硬度测定等手段确定了合金的标准热处理工艺为1080℃预处理0.5h＋760℃时效16h，处理后合金形成了均匀的等轴晶，平均晶粒大小为20μm，同时处理态合金中出现较多的退火孪晶并且在晶界上出现了一定数量的碳化物和α-Cr相，相分析和TEM微观组织形貌表明处理态合金出现了γ'沉淀强化相，成为力学性能大幅提高的主要原因。并且不同时效温度下γ'相形貌逐渐由近似球形过渡到立方形，并趋于平行规则排列。同时通过对不同时效温度和不同时间下γ'相的粗化行为研究，证明了合金中Al元素在基体中的体扩散是γ'相粗化的主要原因。　　首次对不同温度下拉伸变形后的γ-γ'双相合金位错结构进行了系统研究。当拉伸温度从室温变化到高温的过程中，位错的运动规律从单一滑移系的位错滑移、位错剪切γ'相机制，经过具有部分位错剪切γ'相存在的位错攀移机制，完全的位错攀移和位错交滑移机制，到最终的位错绕过机制，是一个位错与γ'相作用程度逐渐减弱的过程，能够引起材料强度逐渐降低、塑性不断提高。高温下材料强度对应变速率具有很强的敏感性，与较低应变速率下的拉伸变形不同，高应变速率下材料中的位错通过相互交割、交滑移产生的Kear-Wilsdorf锁等方式来阻碍位错的运动，使合金得到强化。　　采用X射线衍射法测定了EB-PVD所制备合金薄板的表面残余应力分布，其值沿半径方向由内到外呈逐渐减小，有限元模拟的残余应力数值和趋势与实际相似，说明合金、基板及分离层材料的热物理参数不匹配所引起的冷却应力是产生残余应力的主要原因。同时对热处理后的沉积材料进行测定，发现残余应力已经趋于均匀，在误差范围内接近零，说明加热的方法能够有效地去除EB-PVD工艺给薄板带来的残余应力。　　制备态镍基高温合金在1000℃恒温氧化100h后可形成单一α-Al2O3组成的连续致密的氧化膜，没有发生内氧化也没有观察到氧化膜的剥落。由于制备态合金高温氧化动力学曲线偏离了Wagner提出的经典的抛物线规律，因此本文采用最小二乘拟合法得到合金在试验温度下的氧化动力学方程，符合抗氧化性更好的立方规律。而热处理态镍基高温合金1000℃恒温氧化100h后，氧化膜中除了α-Al2O3相外还出现了镶嵌在氧化膜表面并弥散分布的具有尖晶石结构的NiAl2O4，NiAl2O4的出现与该条件下合金中沉淀强化相γ'能够把 Al很大程度地限制在亚晶格内有关，也没有发现内氧化及氧化膜剥落的现象。热处理态合金在1000℃时的氧化动力学曲线符合经典的抛物线规律。从氧化膜的构成和形貌来看，该条件下的合金也具备了较好的抗氧化能力。由于微晶材料能够显著提高合金的抗氧化性，因此耐高温表面材料在保证恶劣环境下使用所需的力学性能的同时应尽量减小晶粒尺寸，以满足材料抗氧化性能的提高。