热障涂层用于有内冷却结构的航空发动机热端部件上,可以显著地降低部件中金属基底的温度而提高部件寿命或者可提升航空发动机工作温度从而提升发动机性能、降低燃油消耗和污染物排放,已被广泛应用于军民用航空发动机和舰船、工业用燃气轮机当中。然而,由于热障涂层的服役环境极其恶劣,需承受冲蚀、高温氧化和腐蚀等多种载荷,导致涂层服役一定时间后不可避免的发生剥落。涂层一旦剥落,底层承力的金属因直接暴露于高温燃气下而快速失效,事故必然发生,从而影响生命、生产和国防安全。因此,研究其失效机理,预测涂层的服役寿命,防患于未然,则可极大地提升热障涂层的安全应用水平。然而,由于热障涂层本身是多孔的脆性材料,内含大量微孔洞和微裂纹等缺陷,导致其强度及相关参数具有很大的分散性和随机性,同时服役时的载荷也有很大的随机性,最终使得涂层的服役寿命也有很大分散性。基于确定性分析理论的寿命预测法无法考虑这些分散性从而存在根本性的缺陷。工程结构和机械结构的强度和载荷的随机性远没有热障涂层这么大,其安全设计与检验都摒弃基于确定性方法的安全系数法,转为采用基于概率分析的可靠性评价法,即把影响失效的各种量和寿命都看作随机量,以失效概率的大小来评价结构的安全性。由此,非常有必要使用可靠性评价方法来评判热障涂层的服役安全性。基于此,本文的创新性成果如下:(1)建立了考虑材料性能、微结构、环境分散性的热障涂层失效概率评价模型;基于NESSUS可靠性软件和FEM有限元方法,提出了涡轮叶片热障涂层可靠性建模与数值计算方法;采用概率敏感与Π定理理论,建立了可靠性的关键影响因素提炼方法。(2)发展了能模拟夹杂于高温燃气中的固体微粒在叶栅间运动状态的气固两相流数值模拟方法。建立了考虑热障涂层材料和力学以及微观结构等参数、冲蚀粒子速度和冲击角度等参数的冲蚀率模型。基于气固两相流数值模拟方法,模拟了燃气中夹带的大量颗粒在叶栅间的运动状态,并获得了真实情况下大量粒子对整个叶片表面涂层的破坏作用,结果表明由于工作叶片高速旋转,粒子以相对于涂层较大的速度冲击到涂层表面,使得工作叶片比导向叶片冲蚀更严重,且冲蚀严重的区域位于叶背面的前部和叶盆面的尾部。基于局部区域失效准则、冲蚀率模型和气固两相流数值方法建立了全叶面涂层冲蚀失效准则,完成了可靠性评价,并通过灵敏度分析得出涂层的断裂韧性及厚度对热障涂层可靠性影响最大。(3)发展了能模拟涡轮叶片热障涂层局部区域高温氧化失效的相场模型。模拟了失效过程并分析了相关因素对失效的影响。界面不平整时,导致涂层剥落的裂纹萌生于TGO层内的波峰区域。界面粗糙度越大,波峰处TGO生长越快,导致生长应力和热循环应力越大,涂层失效越快。当界面粗糙度A/L>1/4时,裂纹扩展后会穿过TGO与陶瓷层的界面进入陶瓷层,最后与萌生于相邻波峰处的裂纹连结于波谷表层方向的陶瓷层中,导致热障涂层完全剥离。界面粗糙度A/L<1/8时,萌生于TGO层内的裂纹会在TGO内继续扩展或者在TGO与陶瓷层界面处扩展,不会进入陶瓷中。而当界面粗糙度1/8<A/L<1/4时,裂纹扩展至界面附近时有可能出现分叉的现象,某一条支裂纹会往陶瓷层扩展,另一条支裂纹则会沿着界面扩展。评价了高温氧化环境下热障涂层的可靠性及影响因素。结果表明服役环境下,涡轮叶片表面的温度差虽然只有150~200 K,但由于温度不均使得TGO生长速率不同,最终导致叶片表面不同部位的涂层失效概率相差达数十倍,如服役500小时后,叶片前缘迎风的局部区失效概率可达70%,而叶背厚部低温区失效概率仅为0.2%。通过概率灵敏度分析得出弹性模量、温度差是影响涂层可靠性的关键因素。(4)基于可靠性评价理论,使用热循环炉或热障涂层服役环境模拟装置对带涂层平板试片和涡轮叶片进行了热障涂层可靠性试验。将试验结果和理论评价结果进行了对比分析,验证了可靠性评价方法的可信度和实用性。另外,为了方便工程应用或从用户角度出发,还建立了热障涂层可靠性和传统寿命之间的转换方法;建立了涡轮叶片不同部位的热障涂层拥有不同重要度时热障涂层的性能评价方法。