热障涂层技术是一种高效的热防护技术,被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上。目前涂层寿命预测模型越来越复杂,但其精度无法保证。此外,在之前的研究中将涂层界面简化为二维正弦曲线,该做法可能会造成部分应力、应变信息的缺失。本文首先确定出涂层疲劳破坏危险点的具体位置;然后建立了高精度的涂层寿命预测模型,并对涂层寿命微观影响因素进行了分析;又建立了三维山丘状涂层界面有限元模型进行分析;最后提出三维涂层界面三向应力、应变分析方法。本文开展的具体研究工作及取得的主要成果如下:1.通过二向应力状态分析能够确定危险点可能出现的区间为陶瓷层波峰沿轴向到波谷的3/20～2/5处。再通过二向应变状态分析、唯象学寿命预测模型和疲劳累积理论相结合的方法,进一步确定出危险点的准确位置为陶瓷层波峰沿轴向到波谷的1/4处。此结果经验证合理。2.本文结合Manson-Coffin公式、线性累积损伤理论和涂层疲劳寿命实验数据建立了涂层寿命预测模型,并将拟合问题转化为优化问题,使用遗传算法求解了寿命预测模型中的系数,提高了模型的精度。在此基础上,采用响应面法分析了涂层厚度,界面波长和幅值对寿命的影响,并给出了不同厚度下使涂层寿命达到极值的界面波长与幅值选择公式。3.采用两个正弦函数相乘的方法在圆柱坐标系下建立了三维山丘状涂层界面有限元模型。研究表明,三维模型的陶瓷层界面正应力在周向和轴向均呈对称分布,剪切应力呈反对称分布,分布规律与二维模型相似,但三维模型的周向正应力大于轴向正应力,这是二维模型无法模拟的。三维模型的危险点位于其周向沿波峰到波谷1/4处,寿命预测的结果均分布在±1.66倍分带范围内,寿命预测结果合理。4.基于空间应力状态理论、二维坐标变换公式和几何方程推导了涂层界面的三向应力、应变分析方法。研究表明,当氧化层厚度大于等于4μm时涂层界面上的切应力最大值位置基本不变,位于周向沿波峰到波谷1/4处。采用涂层界面上的剪切应变范围进行寿命预测的最大误差为46.3%,与采用等效应变范围相比,最大误差降低了19.8%。说明涂层界面上的剪切应力、应变更能反映涂层的疲劳破坏。本文的研究成果可以为热障涂层疲劳破坏机理分析提供参考、为涂层寿命预测提供新的思路,为高寿命涂层设计提供理论指导。