热障涂层(Thermal barrier Coatings,简称TBCs)作为一种高温热防护材料,已被广泛地应用于涡轮发动机的高温部件上。热障涂层的弹性模量是表征其力学性质的重要参数,而热障涂层残余应力对其服役性能产生不可忽视的影响,因此,研究热障涂层的弹性模量和残余应力测试表征具有重要的意义。由于热障涂层为多孔的脆性薄膜材料,对其弹性模量和残余应力测试表征将面临极大的挑战。本文基于三点弯和四点弯实验,并结合非接触式光学变形测量方法——数字图像相关法,研究了等离子喷涂热障涂层的弹性模量和残余应力测试表征。主要研究内容和结论有:(1)基于三点弯实验,分别建立了涂层弹性模量和残余应力的理论计算公式;基于四点弯实验,建立了涂层弹性模量和残余应力耦合理论计算公式,并结合数字图像相关技术,获得了涂层在制备后初始弹性模量和残余应力值,以及在高温热处理后其弹性模量和残余应力的变化趋势。(2)采用三点弯测量涂层弹性模量的过程中,如不考虑初始曲率将产生较大的测量误差;基于数字图像相关法的全场位移测量法较中点位移测量法具有更高的准确性和可靠度;四点弯实验能够同时确定涂层弹性模量和残余应力,比三点弯更加方便快捷。(3)实验结果表明,涂层在受压时的弹性模量值大于受拉时的值,初始弹性模量值在44GPa?54GPa之间,在高温热处理后弹性模量值迅速增大,而后逐渐趋于平缓;涂层初始残余应力为压应力,热处理后快速变为拉应力,并随热处理时间变化趋于平缓;三点弯和四点弯的实验结果基本一致。(4)基于涂层断面扫描电镜图,建立了含有孔隙和微裂纹的有限元计算模型,模拟分析了微结构对涂层弹性模量的影响。结果表明,涂层内孔隙率和微裂纹密度随热处理时间的增长先快速减小,后逐渐趋于平缓;涂层弹性模量随热处理时间迅速增大,而后逐渐趋于平缓,与实验结果一致,因此,涂层内部的孔隙和微裂纹是其弹性模量随热处理时间变化的主要因素。