热障涂层技术广泛应用于航空涡轮发动机及地面燃气轮机的高温腐蚀防护，它可以提高发动机高温服役寿命和提高效率。本文首先概述了近些年经典YSZ热障涂层材料和新型烧绿石结构热障涂层材料的研究进展，热障涂层的热喷涂工艺（等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术）、冷喷涂技术、电子束物理气相沉积技术，热障涂层基本界面失效及破坏机理及其延长热障涂层寿命的基本手段等内容。制备热障涂层利用超音速火焰喷涂技术和大气等离子技术制备粘结层（CoNiCrAlY、NiCrAlY和CoCrAlY）和陶瓷层(8wt.%YSZ)。本论文的目的是深入研究粘结层界面形貌、不同基底合金、TGO（包括θ-Al2O3→α-Al2O3等）相变、TGO残余应力、尖晶石生长以及TGO生长率之间的联系及其对热障涂层高温失效的影响，特别是经预先真空氧化处理后热障涂层高温服役后的TGO相变情况以及TGO/TBC界面力学性能。获得的主要研究结果如下：⑴揭示了铸铁基底制备热障涂层的高温氧化后界面热生长氧化物的特点。粘结层/陶瓷层界面的CS层与Al2O3层的厚度变化主要分为三个阶段，其增长均与Al原子的扩散顺畅程度密切相关。同时，粘结层/基底合金界面的局域化氧化物为层状与块状交替形貌，其成分主要为Al2O3。⑵揭示了不同化学成分对TGO高温相变的重要影响。镍基合金基底在1050℃高温氧化后TGO的生长率明显比铸铁基底的慢；TGO相变机制主要受Al3+和Cr3+控制，铸铁基底的粘结层中的小半径阳离子Cr3+导致θ-Al2O3→α-Al2O3相变被加速；铸铁基底的θ-Al2O3→α-Al2O3相变过程持续时间短的多。⑶揭示了粘结层的形貌和TGO物相对热障涂层残余应力的重要影响。同时，波浪状TGO凸出的顶部部位具有最高的残余压应力。低几何参数b/a的波浪形TGO凸出部分顶部尖晶石的生长不明显，侧部分有少量的尖晶石，而高几何参数b/a的波浪形TGO凸出部分在顶部及侧面有明显的尖晶石帽子μ形貌。铸铁基底的热障涂层波浪状TGO具有频率较高的尖晶石凸出部分，且其由于提早结束了θ-Al2O3→α-Al2O3相变而导致总体残余压应力低于镍基底合金。⑷揭示了在特定的预先真空热处理工艺条件下可以抑制高温氧化后Co基耐高温腐蚀涂层的TGO中大量Cr2O3、CoO和尖晶石类氧化物，使得TGO的主要成分晶粒尺寸为0.4-1μm的低Y含量的Al2O3和零星分布着的高Y含量Al2O3。较长时间高温氧化后，TGO形成了数微米厚的连续和单一的晶粒尺寸为1μm左右的Al2O3，仅有少量尖晶石生成。⑸鉴于950-1100℃为Al2O3相变范围，在此温度范围优化了预先真空氧化复合热处理工艺制度：真空热处理温度为1050℃，总时间为4小时，升温阶段的真空度不低于7×10-3Pa，恒温加热阶段的真空度保持不高于3×10-3Pa，从室温开始升温，升温速度为8℃/min。然后，①在大气环境中加热至1000℃，保温扩散10小时；②在大气环境中加热至1100℃，保温扩散10小时。⑹提出了在热障涂层的高温氧化0-17小时的初始阶段，通过有效控制预先复合真空热处理制度，调节θ-Al2O3→α-Al2O3相变对于调节热障涂层的高温服役寿命很有意义。同时，一种从定向生长的大晶粒氧化铝演化成的TGO具有下层(Al,Cr)2O3特征的热障涂层的高温氧化服役寿命比较长。⑺建立了热障涂层的TGO和TGO/TBC界面的力学演化模型。提出了特定的预先真空复合热处理工艺使得高温氧化后涂层的TGO区域能量释放率首先达到最大值，TGO内的微裂纹或者微缺陷吸收了大量的能量，涂层寿命相对比较高。⑻定性地分析了热障涂层的陶瓷层中的表面裂纹、TGO区域扩展水平裂纹、TGO区域未扩展水平裂纹和涂层内网络微裂纹组合而导致高温热震寿命有明显变化的现象。预先真空氧化处理Vac.(1050,4h)+1000,10h和预先真空氧化处理Vac.(1050,4h)+1100,10h工艺使得TGO区域得到了某种程度的强化。