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热障涂层以其突出的隔热、耐磨、抗腐蚀性能在航空航天、热力发电等诸多领域占有重要地位,但由于其特殊的多层结构以及复杂的高温服役环境,涂层开裂或剥落失效严重制约了热障涂层的实用性。断裂韧性和残余应力作为表征涂层性能的重要参数,有效、准确地测试这些材料参数对于热障涂层质量检测、性能评估和使用寿命的预测具有重大意义。基于此,本文提出了一种改进的压痕法测试热障涂层材料断裂韧性和残余应力的力学模型,设计并研制了一套高温压痕测试装置,完成等离子喷涂热障涂层高温压痕测试。主要研究内容如下:第一,改进了压痕法测量热障涂层断裂韧性和残余应力的理论模型。对于表面压痕测试,提出了在加载方向上,将涂层表面到最大裂纹深度的陶瓷层分成多层细小的薄片,在薄片内残余应力均匀分布的模型,得到考虑陶瓷层为多层结构且残余应力呈梯度分布情况下断裂韧性和残余应力。对于界面压痕测试,提出了根据残余压痕在基底材料和陶瓷涂层区域所占的体积比例来描述两者抵抗压针侵入所做贡献的改进方法。在实验数据处理过程中,采取对压痕载荷和裂纹长度取对数的方法去除奇异点,以减少热障涂层材料各向异性给实验数据带来的影响。采用改进的压痕断裂力学模型可获得更加准确的热障涂层材料断裂韧性和残余应力的值。第二,利用改进的压痕断裂力学模型测试等离子喷涂热障涂层材料的断裂韧性和残余应力随热循环的变化关系。并将测得结果分别与采用单边切口梁法测得断裂韧性和拉曼光谱法测得残余应力的结果进行对比。结果表明:大气等离子喷涂热障涂层样品表面断裂韧性从1.32±0.2 MPa·m-1/2增加到4.08±0.3 MPa·m-1/2,涂层表层残余应力从-25.9±5 MPa增加到-190.8±10 MPa,涂层深层残余应力从-53.29±10 MPa增加到-253.4±10 MPa。测得热障涂层界面断裂韧性由0.23±0.05 MPa·m-1/2增加到0.65±0.05MPa·m-1/2,相应的残余应力从-11.32±1 MPa增加到-42.17±2 MPa。第三,高温压痕测试装置的设计与研制,进行高温压痕实验测试。高温压痕装置的设计与研制,通过对现有的维氏硬度计进行升级改造,改进加载和观测系统,集成加热系统、冷却系统、高温气体吸气系统和上位机。测试了热障涂层陶瓷和基底材料在700到1000°C高温环境下的硬度,实验结果表明:陶瓷层硬度由4.85±0.4 GPa逐渐减少到2.19±0.2 GPa,基底材料的硬度由2.25±0.2 GPa逐渐减少到1.32±0.2 GPa。