热障涂层(Thermal barrier coatings，简称TBCs)具有良好的隔热、耐磨蚀性能，因此在航空涡轮发动机和工业燃气轮机高温部件的热防护领域得到了广泛应用。然而，由于热障涂层本身结构及服役环境的复杂性，导致涂层在毫无征兆情形下出现表面开裂及界面剥落等失效行为，严重影响了涡轮叶片的使用寿命和可靠性。因此，采用先进的无损检测技术，监测热障涂层体系失效过程中的关键参数演变，对热障涂层体系的寿命预测和可靠性评估具有重要意义。针对三层或多层结构的涂层体系，本文进一步完善了相关剪滞理论模型，采用基于数字图像相关技术的三维变形光学无损测试系统，并以声发射检测系统为辅助工具，在常温和变温环境中分别研究了在拉伸载荷作用下等离子喷涂工艺制备的TBCs断裂失效过程。本论文的主要研究内容归纳如下：第一，首先考虑残余应力的影响，基于界面应力传递，建立了三层结构涂层体系剪滞理论模型，获得了在基底拉伸过程中涂层体系的应力场解析表达式。然后以TBCs材料为研究对象，主要结果是：当基底应变分别增加到0.08%和0.11%时，基底/粘结层界面、粘结层/陶瓷层界面的切应力方向先后发生改变。当基底应变分别为0.10%和0.24%时，粘结层和陶瓷层内正应力由残余压应力转变为拉应力。当基底应变增加到0.39%和0.43%时，陶瓷层和粘结层先后萌生第一条裂纹。该理论模型所预测的结果将为实验测试表征提供理论指导。第二，基于拉曼频移与残余应力的对应关系，采用微拉曼光谱法表征不同厚度的TBCs试样表面残余应力。结果表明：随着陶瓷层厚度从200μm增加至400μm，涂层表面的残余压应力从30.55±1.98MPa减小至8.37±1.98MPa，该研究结果将为拉伸法准确评价涂层体系的断裂强度、界面剪切强度提供可靠的残余应力实验数据。第三，采用万能试验机、三维变形光学无损测试系统和声发射系统，实时监测常温环境和拉伸载荷作用下TBCs试样的断裂失效过程。提取基底的应变数据并代入理论解析表达式，得到了陶瓷层和粘结层的临界断裂强度分别为100.6±8.9MPa和1397.2±44.9MPa；陶瓷层/粘结层界面剪切强度和粘结层/基底界面剪切强度分别为13.2±3.6MPa和51.7±16.5MPa。分析涂层断裂点的三维应变数据，获得了陶瓷层的临界断裂强度为94.9±8.9MPa，粘结层的临界断裂强度为1832.3±44.9MPa。对实验过程中声发射信号进行快速傅里叶变换，得到陶瓷层表面垂直裂纹、陶瓷层/粘结层界面裂纹及粘结层垂直裂纹的特征频谱分别为0.30-0.32MHz、0.06-0.08MHz和0.15-0.17MHz；结合拉伸过程中应变演变云图和扫描电镜(SEM)微观形貌图，探讨了常温拉伸载荷下热障涂层失效机理。第四，组装调试万能试验机、三维变形光学无损测试系统、声发射和加热系统，在变温环境和拉伸载荷作用下研究了TBCs试样界面失效过程，成功地对其表面应变场和裂纹萌生所致的声发射信号进行实时监测。提取基底的应变数据并代入理论解析表达式，得到了陶瓷层和粘结层的临界断裂强度分别为64.5±6.9MPa和540.5±15.2MPa；陶瓷层/粘结层界面剪切强度和粘结层/基底界面剪切强度分别为26.7±2.3MPa和125.6±12.5MPa。分析断裂点的三维应变数据，获得了陶瓷层的临界断裂强度为61.2±3.9MPa。对实验过程中声发射信号进行快速傅里叶变换，得到陶瓷层表面垂直裂纹、陶瓷层/粘结层界面裂纹及粘结层垂直裂纹的特征频谱分别为0.28-0.30MHz、0.07-0.09MHz和0.22-0.24MHz；借助于扫描电镜微观形貌观察，探讨了变温拉伸载荷下热障涂层的失效模式。