热障涂层系统(TBCs)因具备良好的耐热和抗氧化等优异性能而被广泛应用于航空发动机的热端部件。典型的热障涂层系统通常包括陶瓷层(TBC),粘接层(Bond Coat),合金基体层(Substrate)以及位于粘接层和陶瓷层之间的热生长氧化物层(TGO)。研究发现,TGO是造成热障涂层系统失效的主要原因之一。TGO在高温热循环阶段的连续生长会在热障涂层系统内部产生巨大的应力,从而使TGO产生面外位移,造成TGO发生位移不稳定性。当TGO的位移不稳定性过大时,将导致氧化层的失效剥落,热障涂层系统也会因此而失效。TGO的连续生长过程主要发生在高温氧化阶段。对该过程的数值模拟,目前所使用的通用有限元软件(如ANSYS)的常规模拟方法难以实现TGO的动态生长过程,即在数值模拟过程中难以将基体材料的属性随着时间步的变化连续转换为TGO。而基于ABAQUS软件的二次开发功能(UMAT)使得这一过程的实现成为可能。本文基于ABAQUS用户子程序UMAT等功能,成功实现了TGO在高温热循环过程中动态生成过程的数值模拟。基于该有限元技术,开展了TGO生长过程对热障涂层系统失效的数值模拟研究。结果表明,本文采用的UMAT方法在TGO的厚度小于1μm时与美国加州大学圣巴巴拉分校的A.M.Karlsson教授使用的方法所取得的结果相比具有很好的吻合度。当TGO的厚度超过1μm时,Karlsson方法因单元大变形引起的畸变造成计算不收敛而无法继续进行TGO生长过程模拟。而本研究中的UMAT方法却可以继续完成TGO生长过程模拟,与实验结果对比,仍然能取得很好的一致性,并且不受TGO厚度限制。该有限元模拟方法能够用于任意厚度TGO生成过程的数值模拟。为后续基于真实材料参数(材料属性、TGO真实厚度等)开展数值模拟研究提供了较好的方法参考。另一方面,在目前的有限元分析中,TGO通常被当作纯氧化铝层,但是实验研究发现,在热障涂层系统服役后期TGO中会因为混合氧化物的出现而形成混合氧化层。新生成的混合氧化层会造成TGO内部的应力急剧增加,导致TGO的位移不稳定性加剧,从而加速热障涂层系统的失效。目前的研究工作中,很少有专门研究TGO到混合TGO对热障涂层系统位移不稳定性的影响。因此,本文利用有限元法模拟了TGO中混合氧化层在高温热循环条件下的动态生成过程以及对位移不稳定性的影响。同时,采用控制变量法分别研究了混合氧化层的横向生长应变、生长速度以及混合氧化层厚度这三个参数对TGO位移不稳定性的影响。结果表明,混合氧化层对TGO位移不稳定性的影响比纯TGO层更明显,并且TGO的位移不稳定性随着混合氧化层的横向生长应变、生长速度以及混合氧化层厚度的增加而快速增加。综上,本文基于ABAQUS的用户子程序功能(UMAT)编制了一种能够采用真实材料参数模拟TGO在高温热循环过程中实时动态生成过程的有限元分析方法。当所研究的TGO厚度小于1μm时,该方法计算的TGO位移不稳定性的结果和Karlsson经典方法一致,而当TGO厚度大于1μm时,Karlsson经典方法不能继续工作,而该方法能够模拟出与实验结果高度吻合的结果。另一方面,基于该方法开展了混合氧化层形成对TGO位移不稳定性影响的研究工作。该工作结果发表在国际SCI期刊上,一定程度上得到了同行的认可。因此,本文的研究工作为热障涂层系统的结构设计、参数优化等提供一定的方法参考。