作为一种热阻材料,热障涂层被广泛应用于航空发动机高温部件上,但是热障涂层的裂纹萌生扩展而剥离失效会直接导致涡轮叶片的破坏,进而威胁到整个发动机的服役,严重制约了热障涂层的应用。高温服役环境和应力集中是导致裂纹萌生扩展从而剥离的根本原因,因此,为研究热障涂层的失效,得到其温度场和应力的分布是必不可少的。通过对比,本文从三种最常用的湍流模型中选取了一个最合理精确的模型,基于此湍流模型通过流固耦合的方法得到涡轮叶片和热障涂层的温度场和应力分布,并对热障涂层的失效危险区域进行预测,具体的研究内容和结果如下:(1)本文建立了一个包含流体域、固体域以及耦合界面的数学模型,在流体域建立可压流的N-S方程,固体域建立热传导方程和热弹塑性本构关系,并定义耦合界面处的连续条件。(2)基于所建立的数学模型,建立一个基于MPCCI耦合接口的FLUENT和ABAQUS流固耦合方案,其中包含外流场的流体域采用FLUENT实现数值模拟,包括热障涂层和涡轮叶片的固体域采用ABAQUS实现仿真分析,通过MPCCI实现流体域和固体域之间的耦合变量传递。基于此方案,建立带有热障涂层的涡轮叶片和其相应的外流场有限元模型,并根据实验数据定义材料参数边界条件,划分网格,最后进行耦合运算。(3)讨论分析RNG-ε、realizable-ε以及SST-w三种湍流模型在所建立的数值模型中应用的结果发现,RNG-ε、realizable-以及SST-w模型下流场压力和速度分布基本一致。通过与实验数据对比,realizable-ε模型下温度和压力分布与实验数据吻合的最好。因此,在本文的模型中,对于涡轮叶片表面附近的复杂流动情况,realizable-ε湍流模型表现出更好的精确性。(4)采用对于所建立的数值模型最佳的湍流模型,通过流-固耦合传热数值模拟,得到带有多层结构热障涂层的涡轮叶片温度分布和热失配应力分布。热障涂层和涡轮叶片的温度在真实服役环境下是不均匀的,在本文中最高处为前缘位置,达到1294 K,在吸力面对应外流场驻点位置最低为1096 K。热障涂层具有较好的隔热效果,能够降低合金基底表面温度42~75 K,其中在温度较高的前缘和尾缘位置隔热效果要优于温度相对较低的压力面和吸力面。热障涂层中陶瓷层的热应力高于过渡层,其中陶瓷层最大为194 MPa,而过渡层为118MPa,并且在陶瓷层和过渡层中热应力都是在前缘和尾缘两侧的叶根部位最大,因此热障涂层剥落失效易发生在这些位置,而剥落最开始易发生在陶瓷层/氧化层界面。