热障涂层技术是航空发动机中叶片的重要防护技术,有了高性能的热障涂层可以对基体金属进行充分的保护,提高叶片的使用寿命。纳米结构的涂层和烧绿石结构的锆酸盐被认为是高性能热障涂层的两个重要的发展方向。悬浮液等离子喷涂技术大量应用到了纳米涂层的制备研究中。本文中,制备了纳米级的La2Zr2O7(LZ)粉体,为了提高纳米锆酸镧涂层的使用寿命,加入纳米8wt%Y2O3稳定ZrO2(8YSZ)作为缓冲层,设计了新型的LZ/8YSZ梯度热障涂层,利用悬浮液等离子喷涂技术制备纳米结构的LZ/8YSZ梯度热障涂层,同时还制备了LZ/8YSZ纳米双陶瓷热障涂层和LZ涂层,研究了三种涂层的高温性能,并利用有限元分析的方法评价了梯度结构对涂层的性能影响机理。通过有限元方法对梯度过渡结构涂层的传热过程和热应力进行分析比较,结果表明,梯度结构可以有效地降低LZ与8YSZ涂层之间的应力突变,并且可以降低整个涂层系统中的应力极值,同时对隔热性能几乎没有影响。对成分梯度过渡涂层结构中的指数和层数进行了优化设计,得出了最合理的梯度过渡涂层结构。在热震模拟分析中,随着温度的变化,涂层中的热应力也随之变化,梯度结构涂层中的热应力的极值明显减小,界面上的残余应力也明显减小,边缘和中心这两个位置是热应力集中的位置。在梯度结构中,为了从纳米尺度上调整两种陶瓷材料的成分比例并且制成纳米结构涂层,涂层采用纳米LZ和纳米8YSZ作为陶瓷层的原料,对纳米LZ粉的制备进行了研究。采用燃烧法和水热反应两种方法制备出了纳米级别的LZ粉体。研究结果表明,燃烧法中,使用石蜡作为燃烧剂可以提供更高的燃烧值,有利于LZ化合物的生成,制得的纳米粉体平均粒径22nm;经过水热反应,LZ粉体粒径更细,结晶更好,平均的粒径小于20nm,该方法制得的纳米粉体还具有更好的抗高温腐蚀的能力。两者综合比较,燃烧法成本和效率更高,而水热处理获得的LZ的质量更高。纳米结构梯度热障涂层采用悬浮液等离子喷涂方法制备。悬浮液等离子喷涂装置是在现有的大气等离子喷涂基础上改装完成的,采用雾化式喂料喷嘴可以更好的控制雾滴的粒度。分析了悬浮液等离子喷涂中的喷涂距离、喷涂功率、喂料速度等工艺参数对涂层质量的影响,其中喷涂距离的影响最大,相比传统的大气等离子喷涂要大大缩短,悬浮液等离子喷涂的喷涂距离为40-50mm。制得的LZ涂层经过微观形貌分析,涂层中保持着纳米结构,喷涂前后LZ成分没有发生相转变,具有非常好的热稳定性。结合悬浮液雾化过程分析、基片单扫分析,研究了悬浮液等离子喷涂过程的机理。悬浮液等离子喷涂主要是有蒸发、团聚、熔融、沉积几个过程组成,其中蒸发悬浮液分散介质会消耗掉大量的热量,这也是喷涂距离要大大缩短的主要原因。通过自制的悬浮液喂料协调控制系统,采用悬浮液等离子喷涂方法制备了在LZ与8YSZ层之间具有梯度成分过渡部分的梯度热障涂层。悬浮液喂料协调控制系统实现总喂料速度不变,悬浮液的固相组成在8YSZ和LZ之间协调增减,最终在涂层中实现了梯度成分过渡。通过微观结构分析和成份分析,制得的涂层中明显存在的成分的梯度渐变部分。通过三种结构的涂层结合强度比较发现,梯度结构的结合强度为29.66MPa,要比双陶瓷层状结构和单陶瓷层状结构都要高,与残余应力的分析结果一致。采用加热-水淬的方法测试了LZ/8YSZ梯度热障涂层的热震性能。梯度涂层具有明显优异的热震性能,热循环次数比层状LZ/8YSZ热障涂层提高了50%。通过宏观和微观分析,涂层的失效主要发生在边缘和中心处,涂层内部的裂纹扩展是涂层是失效的主要形式。通过有限元分析表明,裂纹的尖端应力在三种涂层中存在着明显的不同,在梯度涂层中裂纹尖端的拉应力和拉压应力变化幅度都是最小的,单陶瓷涂层结构的这两个值都是最大的,双陶瓷涂层则是处于两者之间,这与热震试验的结果一致,说明了梯度涂层可以有效的降低涂层内部裂纹的扩展动力。