热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是为了满足航空航天发展向着高流量比、高推重比发展的需求,利用陶瓷材料的耐高温,低导热率的特点,将陶瓷相与金属基表面复合,提高基体耐高温性能的一种高温防护技术。随着航空航天领域对燃机进口温度不断提高的需求,传统的TBCs材料,氧化钇部分稳定氧化锆(Yttrium partially stabilized zirconia,YSZ)的潜质已被挖掘殆尽,因此,从TBCs的结构设计与材料的革新上来提升TBCs的性能,成为目前燃气轮机的重点发展方向。YSZ纤维具有力学性能优越的特点,虽然纤维增强复合材料的理念很早就被提出并在块体材料中得到了应用,但在TBCs上的应用却鲜有报导;梯度热障涂层作为一种新型的涂层体系,其涂层结构的设计与失效机制的研究还没有得到完善;对于耐高温的新材料如多元稀土共稳定的氧化锆,则普遍存在力学性能差的特点。本研究以上述急待解决的问题为出发点,设计研究了三种不同的TBCs体系,主要探究结构设计与纤维掺杂对其使用寿命与力学性能的影响。在超音速等离子喷涂的镍包铝粘结层中,加入通过化学镀得到表面沉积镍薄膜的YSZ纤维,从而提升了涂层的抗热震性能,涂层的抗热震性能比未添加纤维的涂层提高了 59.4%,其中纤维的主要强化机制为纤维桥联与纤维脱粘。通过对梯度结构设计与纤维掺杂共改性制备涂层的研究中,发现梯度结构能够减轻涂层表面的残余拉应力,使残余应力从拉应力向压应力趋势发展;相反,引入纤维会导致涂层表面残余拉应力增加且向拉应力的趋势发展。此外,梯度设计与纤维掺杂均提高了涂层的抗热震性能,纤维增韧梯度涂层与原始涂层相比,其抗热震性能提高了 80%以上。涂层其性能的提升可以归结为梯度设计降低了涂层在热震时的应力积累速率以及和纤维脱粘、裂纹偏转与纤维断裂机制的共同作用。在以稀土共稳定氧化锆(Rare earth co-stabilized zirconia,CSZ)为顶层,YSZ为过渡层,NiCoCrAlY为粘结层的双陶瓷层中添加纤维,对比单层的CSZ与不添加纤维的CSZ/YSZ双陶瓷层,添加纤维掺杂的CSZ/YSZ双陶瓷层的抗冲蚀性能与抗热震性能均为三者之中的最佳,与原始涂层相比,其涂层抗热震性能提高了 128%。添加纤维并未改变涂层冲蚀的断裂机制,仍然为沿晶断裂。而纤维的添加使得涂层的粘沙量增多,对涂层抗冲蚀性能起到积极作用。在抗热震实验中,双层陶瓷结构解决了 CSZ涂层与粘结层的热物理不匹配性,纤维通过纤维脱粘的方式消耗热震中的断裂功,从而提高了涂层的使用寿命。