航空发动机及燃气轮机的热障涂层过早开裂剥落失效导致了极大的安全隐患。因此,需要进一步了解热障涂层的开裂行为机理。本文从TGO的氧化生长及其影响、表面裂纹的形核、扩展以及界面裂纹合并连接的过程、高温氧化实验研究等方面,分析了热障涂层的应力分布及裂纹的开裂行为。针对大气等离子喷涂的热障涂层,构建了二维有限元模型。根据TGO的氧化生长动力学规律,通过子程序实现TGO厚度按抛物线规律生长,并分析了正弦型与半圆型TGO/TC界面形态对热障涂层应力分布的影响,分析了TGO蠕变造成的影响。结果表明:半圆型与正弦型TGO/TC界面的S11残余压应力导致陶瓷层中主要存在的裂纹形式为水平裂纹;TGO/TC界面裂纹主要在中部与近波谷处形核;正弦型TGO/TC界面的陶瓷层裂纹主要在近波峰处形核,半圆型TGO/TC界面的陶瓷层裂纹主要在近波峰至中部之间形核;粗糙度的增大将增大裂纹在近波峰形核的概率;蠕变能在热循环前期降低横向裂纹的形成。在TGO两侧界面及TGO内部插入内聚单元,分析了热障涂层在热梯度及均匀温度场下界面裂纹的扩展与合并的开裂行为。结果表明:在热梯度场作用下TGO/TC界面裂纹在近波峰处形核,而在均匀温度场下TGO/TC界面裂纹在波谷处形核;在均匀温度场下TGO两侧界面裂纹扩展至中部后将受到较大的抑制,裂纹界面扩展至中部时,裂纹尖端在界面处的应力减小,TGO内部应力增大,使界面裂纹通过TGO裂纹合并。通过扩展有限元法分析了在冷却阶段TGO形貌与初始裂纹对陶瓷层以及氧化层裂纹形核与扩展的影响。结果表明:TGO初始厚度增大,TGO裂纹长度显著变长,TC裂纹形核位置由波峰转移至近波峰;随着TGO/TC界面粗糙度的减小,TC裂纹的形核位置由近波峰变为中部最终被完全抑制,TGO裂纹长度变长;初始横向TC裂纹长度越长,TGO裂纹越长,一定数量的竖直TC裂纹能更有效地抑制TC裂纹的形核与扩展。在高温热循环氧化实验中,每个热循环后都对实验样品用扫描电子显微镜进行观测并进行能谱分析。结果验证了边缘缺陷将极大地加速热障涂层分层开裂;TGO/TC界面近波峰是横向裂纹形核的主要位置之一;距离TGO/TC界面较远的单一竖直裂纹无法形成竖直裂纹对横向裂纹的抑制效果。本文针对热障涂层表面裂纹与界面裂纹开裂失效问题,建立了热障涂层裂纹形核扩展、合并贯穿的失效模型,为热障涂层开裂失效提供了一定的理论参考。