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热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)以其卓越的隔热、耐高温、耐磨损、耐冲蚀等性能,被广泛应用于航空涡轮发动机关键隔热防护材料,在航空航天、国防科技领域以及国民经济中发挥了巨大作用。然而,在真实服役环境中,由于受到材料参数不匹配、界面缺陷、工作温度变化、残余应力和外加载荷等因素影响,涂层体系通常发生难以预知的表/界面剥落失效。本文采用高温维氏压痕原位测试系统,实现了对脆性涂层材料体系硬度、断裂韧性和残余应力等力学性能高温实时原位测试表征,获得了涂层体系表/界面硬度、断裂韧性和残余应力随温度演变关系。主要研究内容如下:第一,通过对现有的常温小负荷维氏压痕仪进行升级改进,集成包含加载系统、高温加热及控制系统、原位观测系统、图像采集系统、真空和冷却循环系统以及其他辅助装置,研制出高温维氏压痕原位测试系统,实现1100℃范围内热障涂层材料体系硬度、断裂韧性及残余应力等力学性能的实时原位表征分析。第二,采用自主研制的高温压痕原位测试系统,原位表征了8wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2(8YSZ)热障涂层表面硬度、断裂韧性和残余应力随温度演变关系。结果表明:当测试温度由室温变化到1100℃时,涂层表面硬度由2.96 GPa降低为1.06 GPa。考虑涂层内部残余应力对表面断裂强度因子的贡献,随着测试温度由室温变化到1100℃,求得涂层表面断裂韧性先由0.71 MPa·m1/2减小为0.54MPa·m1/2,然后增大到1.03 MPa·m1/2;对应的残余应力初始阶段表现为残余压应力,由-66.4 MPa变为-15.38 MPa,在900~1000℃温度区间,残余压应力转变为残余拉应力,1100℃时残余拉应力达到12.92 MPa。第三,采用自主研制的高温压痕原位测试系统,原位表征了热障涂层横截面和粘结层硬度、界面处断裂韧性和残余应力随温度的演变规律。结果表明,当测试温度由室温变化到1100℃时,涂层横截面硬度由3.28 GPa降低为1.23 GPa;粘结层硬度由3.06 GPa降低为2.13 GPa。考虑涂层与粘结层界面处残余应力的影响,界面断裂韧性数值由0.25 MPa·m1/2增大到0.48 MPa·m1/2,然后减小到0.1MPa·m1/2;对应残余应力从-33.04 MPa增大为-50.96 MPa,然后残余压应力继续减小,在1100℃附近转变为拉应力,大小为7.63 MPa。