利用热障涂层技术能够有效提升航空动力设备热承载能力和热效率,是一种十分重要的表面工程技术。但实际应用和试验研究发现,由于热循环下的多层结构热失配以及界面氧化等因素,涂层过早剥落失效仍十分普遍。结构安定性分析用于确定复杂循环载荷作用下结构的安定极限载荷以及安定性,能够反映结构性态的本质和实际安全程度,最大限度利用材料塑性潜能,是进一步提升涂层结构性能和安全性的有效措施之一。然而经典安定理论基于诸多假设,实际应用时,需根据结构和工况特点,扩展安定理论及其应用范围。本文以热障涂层为研究对象,安定理论及其扩展为主线,针对涂层的高温循环载荷、多层结构特性以及界面氧化扩散等关键因素发展安定理论及其应用,进而研究热障涂层安定极限及其稳定性,主要研究内容和成果如下:1)安定理论的材料参数温度相关扩展以及多层结构安定理论扩展和数值迭代方法。根据热弹塑性本构,结合循环应力应变关系以及经典机动安定定理,建立了温度载荷作用下的结构安定性判据,扩展了安定分析的应用范围;结合随动强化的特性,将结构在强化过程中的背应力计入屈服准则,建立了结构静力安定存在条件,将背应力在一个载荷循环内做功计入塑性耗散,建立了机动安定的存在格式,扩展了考虑随动强化的安定理论应用前景;从多层梁结构出发,给出弹塑性多层结构安定性分析的方法以及数值迭代求解基本思路,扩展安定理论的应用范围。2)多层圆筒结构的安定理论扩展。从基本的结构热传导及热应力理论出发,给出了多层圆筒模型温度及热应力分布规律,借助经典机动安定定理,利用特雷斯卡屈服准则和增量破坏准则处理对时间的积分问题,建立了多层结构安定极限分析方法,将材料屈服强度随温度变化关系简化为双线性关系,利用补偿变换的方法简化求解过程,对典型热障涂层安定极限进行了研究。结果表明,利用基于多层圆筒模型的安定极限分析方法,能够方便求解安定极限,便于工程应用;热障涂层安定极限值明显高于弹性设计值,且界面外凸区域安定极限高于内凹区域极限值,结构首先在内凹处失效;圆筒模型基体曲率和涂层厚度越大,结构安定极限越高。3)考虑界面氧化的结构稳定性分析方法及热障涂层稳定性分析。结合粘弹塑性材料本构、第一、第二热力学定律和菲克扩散定律及氧化平衡方程,借助经典机动安定理论的基本思想,建立考虑结构界面循环氧化的稳定性评价方法。基于试验所得氧化层生长规律,利用材料转换的方法实现氧化生长模拟,避免了常用仿真方法的局限性,通过半圆形涂层界面模型循环氧化分析,从应力应变以及能量的角度,探究循环热生长下热障涂层的整体稳定性及局部界面稳定性规律。结果表明:利用材料转换并结合试验所得氧化生长规律实现TGO厚度方向生长的方法简单有效,便于工程应用;氧化生长对TBCs残余应力影响显著,蠕变的应力释放作用明显,分层失效可能率先在BC/TGO界面的凸峰区以及TGO/TC界面中间过渡区出现;从应力应变演化规律评估稳定性,BC/TGO界面和TGO/TC界面稳定性随氧化生长而减弱;从结构应变能评价,TGO循环氧化生长会导致TBCs稳定性降低;稳定性分析结果与前述安定极限结果规律表现出一致性。4)热障涂层稳定性分析验证。采用等离子喷涂法制备8YSZ热障涂层,结合热震试验,将涂层显著剥落作为失效评价指标,对涂层局部界面稳定性和整体稳定性进行了分析,验证关于多层结构安定极限的分析方法以及TBCs稳定性结果的有效性。结果表明,循环氧化生长带来的界面形貌幅值变化以及TGO增厚是影响TBCs界面区应力应变状态、以及界面稳定性和涂层整体稳定性的重要因素。界面形貌幅值增大和TGO厚度增厚会降低TBCs稳定性并导致界面不稳定,验证了本文关于热障涂层整体稳定性及局部界面稳定性的分析结论。针对此次制备涂层试样,热震温度为850℃和950℃时,TBCs安定性较好,基本可认为结构是处于安定状态;热震温度为1050℃时,涂层试样安定性能显著降低,安定极限处于950℃-1050℃之间,一定程度上验证了本文热障涂层安定极限分析模型的有效性。