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广泛用于航空发动机叶片上的热障涂层作为一种先进的高温防护涂层,可显著降低涡轮叶片的表面温度,大幅延长叶片的服役寿命,提高发动机的推力和效率。因此,热障涂层与高温结构材料、高效气膜冷却技术并列为先进航空发动机涡轮叶片的三大关键技术。飞机在频繁起飞、续航和降落的循环过程中,发动机叶片将承受高温高速燃气、高应力、交变载荷、外来物冲击和腐蚀介质等多种因素的交互作用,热障涂层极易出现热疲劳剥落、高温氧化、冲蚀和热腐蚀等突出问题,最终使热障涂层过早失效。其中,热疲劳剥落是热障涂层失效的最主要形式,也是大气等离子喷涂制备氧化锆基热障涂层在服役过程中的瓶颈问题。因此,改善等离子喷涂制备热障涂层的抗热疲劳性能成为提高航空发动机叶片服役寿命的首要任务。本文基于自然界生物耦合止裂和抗疲劳功能原理,面向大气等离子喷涂制备的氧化锆基热障涂层,进行了仿生耦合抗热疲劳设计,采用激光表面改性技术在热障涂层表面制备仿生耦合结构,并通过优化激光加工参数、改进后热处理工艺,有效拓展了仿生耦合热障涂层的制备技术;研究了单元体形态耦元和材料耦元对仿生耦合热障涂层性能的影响规律,揭示了激光仿生耦合热障涂层抗热疲劳、抗冲蚀、抗热腐蚀性能的作用机理;在此基础上,采用激光合金化技术进一步强化单元体,显著改善了仿生耦合热障涂层的抗热震性能。主要研究结果如下:（1）形态耦元对仿生耦合热障涂层的性能有显著影响。点状仿生耦合热障涂层的结合强度和抗热震性能最佳,网格状仿生耦合热障涂层的隔热性能和抗固体颗粒冲蚀性能最优。优化单元体间距可进一步提高抗热震性能,单元体间距为3 mm时仿生涂层的抗热震性能更优,其热循环寿命是常规涂层的2.5倍。仿生单元体内微观柱状晶结构和宏观网状裂纹,使得涂层具有较高的应变容限能力,能够释放冷热循环过程中的热应力,降低了裂纹扩展驱动力,从而增强了仿生耦合涂层的热裂纹扩展抗力,提高了涂层的抗热震性能。（2）基于不同的陶瓷层母材,制备获得的仿生耦合热障涂层的性能提高比不同。相同陶瓷层母材下,仿生耦合热障涂层的结合强度、抗热震和抗热腐蚀性能均显著优于常规涂层。通过激光仿生耦合改性,结合强度提高比为CYSZ涂层（16%）>7YSZ涂层（11%）,隔热性能降低比为CYSZ涂层（15%）>7YSZ涂层（12%）,抗热震性能提高比为7YSZ涂层（150%）>CYSZ涂层（26%）,抗热腐蚀性能提高比为CYSZ涂层（13.8%）>7YSZ涂层（8.5%）。（3）利用激光合金化技术制备的组织和材料均不同于陶瓷层母材的仿生单元体,可进一步提升仿生耦合涂层的抗热震效果。含有不同质量分数TiAl3的仿生耦合热障涂层的抗热震性能均显著优于常规涂层,抗热震性能排序依次为10%TiAl3>15%TiAl3>5%TiAl3>20%TiAl3>25%TiAl3。其中,含有10%TiAl3的仿生耦合热障涂层的抗热震性能是常规涂层的3.1倍。在热震试验后期,仿生单元体中的TiAl3在高温下发生氧化反应,实现了裂纹的自愈合,延缓了垂直裂纹与水平裂纹的联接,推迟了涂层的剥落,从而导致抗热震性能进一步提高。（4）仿生耦合热障涂层的冲蚀失效过程主要经历了两个阶段:在冲蚀过程早期,具有孔隙结构的未改性区更易受到冲刷,导致涂层单个扁平粒子的断裂和破碎;在冲蚀过程后期,结构致密且高硬度的仿生单元体逐渐凸出,明显抵御了固体颗粒的冲蚀。仿生耦合热障涂层的冲蚀失效机制是脆性和部分塑性冲蚀。（5）熔盐和氧化锆稳定剂（Y2O3和CeO2）之间的热腐蚀反应,在7YSZ涂层表面形成了YVO4,在CYSZ涂层表面生成了YVO4和CeVO4热腐蚀产物并发生了CeO2的矿化。稳定剂的消耗导致t-ZrO2向有害相m-ZrO2转变。最终,由相变和热腐蚀产物产生的应力以及粘结层的氧化导致7YSZ和CYSZ涂层失效。而仿生单元体的致密结构和更低的表面粗糙度是仿生耦合热障涂层抗热腐蚀性能提高的主要原因。