为了得到更高的推重比和燃烧效率,燃气涡轮机的使用温度被不断提高。随着热障涂层的应用,高温合金可以在其熔点以上的温度下运行。大气等离子喷涂方法制备的热障涂层的层状结构陶瓷层,在热循环工况下容易发生开裂,从而缩短了热障涂层的服役寿命。因此,本文基于等离子喷涂涂层典型微观结构模型,首先分析了未结合缺陷对应力状态的影响,并讨论了无冷却喷涂工艺参数对陶瓷层内裂纹系统和寿命的影响。在此基础上,设计了包含垂直裂纹、横向孔隙以及致密结构的长寿命的多层结构热障涂层。研究表明,未结合长度对涂层中裂纹尖端应力的影响最大,相互间的间距影响次之,扁平粒子厚度的作用基本可以忽略。此外,在未结合尾部存在压应力区,其所占范围与最大压应力值均随未结合长度的增加而减小。随喷涂距离增加,较长未结合缺陷的绝对长度值和比例均增大,但单个未结合缺陷的长度都主要分布在5-20μm的范围内。在相同热循环次数下,喷涂距离较大的试样的陶瓷层内裂纹总长度也较大。首次系统研究了垂直裂纹和横向分叉裂纹数量、尺度与无冷却喷涂工艺参数的关系。热循环试验表明,维持一定垂直裂纹的同时,降低横向分叉裂纹可将热障涂层热循环寿命提高至3倍以上。设计与制备的多层结构热障涂层的抗CMAS腐蚀性能与常规涂层相当,而且其抗热循环和抗氧化性能均显著优于常规热障涂层。