● 摘要
热障涂层隔热效果显著、抗氧化和抗腐蚀等优点，使其广泛应用于热端部件的隔热及氧化保护，包括航空、航天、舰船以及其他一些领域。航空发动机及燃气轮机涡轮叶片经常使用热障涂层作为隔热保护材料。但是，涡轮叶片热障涂层在使用过程中经常出现开裂、剥落等破坏情况，影响了热障涂层的使用。目前，大部分热障涂层应力和失效研究都是基于圆管或者平板，对于涡轮叶片热障涂层的破坏情况，尚未得到清晰的认识。因此，需要对涡轮叶片热障涂层的应力、破坏模式、以及涂层剥落后的温度和应力的变化等进行研究。利用有限元数值分析技术开展热障涂层涡轮叶片的应力分析及破坏进行相关研究，主要包括以下几个方面：
首先，通过圆管模型对热障涂层的应力、失效机理及破坏模式进行分析。从TGO厚度增加和粘结层杨氏模量变化两个角度，分析了氧化损伤对涂层应力及失效的影响。
以二维热障涂层涡轮叶片截面为研究对象，通过平板模型热障涂层应力和二维涡轮叶片热障涂层应力的对比，分析了涡轮叶片的结构特征对热障涂层各层应力的影响。并以圆管模型热障涂层破坏模式为参考，对涡轮叶片热障涂层的失效及其对应的破坏模式进行了初步判断。建立不同陶瓷层厚度的二维涡轮叶片模型，分析陶瓷层厚度对隔热效果，涂层应力和叶片应力的影响。
然后，通过三维热障涂层涡轮叶片的应力分析，对二维分析和三维分析的结果进行对比，同时对三维涡轮叶片热障涂层破坏的危险位置及其对应的失效模式进行了预测。
最后，以上文预测的涡轮叶片热障涂层的失效位置为参考，对热障涂层剥落失效以后，涡轮叶片温度场和应力的影响进行了研究。对比分析涡轮叶片不同位置涂层的剥落失效，对叶片温度场和应力的影响，分别找出温度变化最大以及应力变化最大的位置。并对涂层剥落面积对叶片基体应力的影响进行了研究。