热障涂层系统(TBCs)是一种应用于金属表面的先进材料,由于其具备良好的耐热性、抗氧化性和防腐蚀性,被应用于燃气轮机或航空发动机的部件上。热障涂层系统一般由四部分组成:顶部陶瓷层、热生长氧化物层(TGO)、金属基体和陶瓷层之间的黏合层(BC),以及金属基体层。TGO在高温氧化阶段的形成过程关系到其生长应变、屈服强度、蠕变效应等诸多力学性质,与此同时,形成TGO的过程中还会产生数量级非常大的生长应力,而这也正是造成热障涂层材料断裂失效的最根本原因。本文首先通过实验研究,探究热障涂层在高温热循环下的位移不稳定性及TGO裂纹情况。通过实验,我们获取到TGO厚度与氧化时间的关系,得到了每个循环增加的TGO厚度,观察到了TGO内部的裂纹情况,测量出了高温下金属基体和TGO的应力-应变关系,测得了部分材料属性的参数,并且探讨了钇的含量对实验产生的影响,这些都为进行TGO内部裂纹扩展的数值模拟奠定了良好的基础。紧接着,本文利用ABAQUS软件的用户材料(User Material)子程序UMAT开发了一种新的数值模拟方法来仿真TGO在高温循环氧化下的位移不稳定性。有限元模型采用的是TGO厚度较小(小于1μm)的Karlsson经典模型,针对较小厚度的TGO,Karllson的工作结果被视为研究热障涂层在热循环氧化下位移不稳定性的经典,并将此结果与本文研究成果作对比。结果表明本文研究成果与Karlsson的成果具有很好的吻合度,验证了该新型数值模拟仿真方案的正确性和有效性,为后续进行热循环氧化过程中的TGO内部裂纹扩展有限元仿真奠定了良好的基础。最后在模拟TGO生成的同时,本文用到了COD(裂纹张开位移法)来模拟TGO内部裂纹扩展。结果表明,实验与有限元仿真中的最终TGO变形简图具有很好的吻合度,这就验证了有限元仿真的精确性,可以在将来热障涂层系统优化设计的过程中,指导预测TGO的断裂失效。