燃气轮机凭借其高效、清洁、污染少等优势,已成为世界各国也是我国电力发展的重要方向之一。不断提高燃气轮机进气温度,可以改善发动机热力循环性能,显著提高燃气轮机的热效率、减少燃油消耗。然而燃气轮机进气温度越高,金属部件服役条件也越加严苛,特别是燃气轮机叶片损伤。因此对叶片涂层系统在工作条件下进行力学分析对预防剥落现象有着重要的作用。本文结合在热障涂层材料和无损检测方面的科研积累,确立了基于非线性有限元和断裂力学方法对含微裂纹缺陷热障涂层进行数值模拟。对涂层的剥落失效进行定量分析,揭示尚未被理解的残余应力与裂纹起裂、扩展之间的关系,阐明等离子喷涂热障涂层脱落的本质原因。这一研究对新型高效多层结构复合材料的开发和新型无损检测技术在多层材料上的应用无疑具有重大的理论和实际意义。本论文主要研究内容如下:第一,建立二维叶片涂层系统模型,模型由四层组成,分别是基体、粘结层、氧化层和热障涂层。通过理论计算与数值模拟的方法得到合理的传热方式,并分析传热过程中的影响参数,主要探讨了对流换热系数和升温速率对涂层残余应力分布的影响,研究不同加载方式对应力分布的影响。第二,通过热-力耦合非线性有限元间接计算获得升温、恒温以及降温过程的各应力分量瞬时演变。同时通过探讨氧化层不同界面形状以及氧化层厚度对应力的影响,比较了不同模型的优缺点,得到热障涂层系统优化数据。第三,建立含缺陷叶片涂层系统模型,缺陷位置为氧化层下表面波峰处,针对此位置的沿界面裂纹,通过有限元方法得到裂纹相对长度与应力强度因子(幅值与相角)、J积分和应变能释放率之间的关系;并利用幅值与相角预测裂纹的扩展方向。本论文系统地分析了大气等离子喷涂叶片涂层由于高应力和应力阶跃两因素所引起的界面破坏过程和机制。为指导涂层制品以及复合材料相关结构设计、选材及其性能优化提供理论依据和方法。