TiN/ZrN和TiZrN复合涂层的阻尼特性研究

摘要

随着现代科学技术的发展，振动、冲击和噪声的控制日益成为一个复杂而迫切的问题。振动影响机械产品的质量，缩短机械部件的寿命，降低仪表的精度和可靠性，机械的振动和噪声水平已成为机械产品在市场竞争中应考虑的重要因素。阻尼减振降噪技术是有效控制振动和噪声的方法之一，阻尼材料是一种将振动的机械能转化为热能耗散掉的新型材料。由于传统的高分子阻尼材料受温度等因素的限制比较大，新型的无机阻尼涂层越来越受到人们的重视。
　　本文利用多弧离子镀膜机在Ti-6Al-4V合金基片上用两种不同的方法制备了TiN/ZrN和TiZrN阻尼复合涂层。首先通过分别对TiN和ZrN厚度工艺的讨论我们制定了镀制复合涂层合适的工艺。通过实验我们制备了三元相的TiZrN和两元相分层的TiN/ZrN涂层，通过对其SEM和XRD图像的讨论分析我们认识到TiZrN晶粒细化，和晶界相关的阻尼是其减振源之一，两种阻尼涂层系统都存在感生有序产生的阻尼。
　　本文利用锤击法进行阻尼性能测试，探讨了半功率带宽法的理论，根据传递函数得到幅频曲线，提取了表征阻尼能力的阻尼比。通过分析我们得到涂层材料对于涂层系统阻尼能力的影响和频率相关，不同的镀膜方法下，阻尼材料对系统各阶振动的阻尼比有不同程度的提高。TiN/ZrN和TiZrN涂层材料主要从两个方面影响系统的阻尼特性，即降低系统的固有频率和改变系统的振动振幅。
　　本文还利用有限元分析软件对自由阻尼涂层悬臂梁进行了模拟求解，该部分利用数值方法对涂覆自由阻尼层的悬臂梁（Ti-6Al-4V）的动态特性进行了模态分析和谐响应分析，探讨了粘贴阻尼材料的减振特性。得到了固有频率、阵型、应力云图和幅频特性曲线。并提取阻尼比和损耗因子。Ti-6Al-4V板上附加涂层后固有频率变小，阻尼能力增强，阻尼能力随着涂层厚度的增加而有所增加。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 阻尼的含义

1．2 阻尼技术的应用

1．3 阻尼涂层材料研究现状

1．3．1 阻尼材料的研究现状

1．3．2 阻尼涂层研究现状

1．4 阻尼机理

1．4．1 阻尼材料的减振机理

1．4．2 驰豫谱及几种典型的阻尼峰

1．4．3 间隙原子应力感生有序引起的阻尼(斯诺克峰)

1．4．4 置换原子产生的阻尼(甄纳峰)

1．4．5 晶界阻尼(葛氏峰)

1．4．6 热弹性和磁弹性阻尼

1．4．7 阻尼涂层的减振来源

1．5 阻尼的测量与表征

1．5．1 比阻尼能力

1．5．2 相位差角

1．5．3 对数衰减率

1．5．4 品质因子的倒数

1．5．5 超声波在固体中的衰减系数

1．6 本课题的研究意义和内容

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 课题研究的内容

第2章 镀膜设备与检测方法

2．1 多弧离子镀技术

2．1．1 多弧离子镀技术的原理

2．1．2 多弧离子镀技术的应用

2．1．3 多弧离子镀技术的优势及其存在的问题

2．2 试验设备及材料

2．2．1 试验设备

2．2．2 试验材料的选定

2．3 试验设计及流程

2．3．1 试验过程的设计

2．3．2 试验的工艺流程

2．4 涂层的测试方法

2．4．1 物相分析

2．4．2 表面形貌分析

2．4．3 化学成分分析

2．4．4 涂层厚度的测量

2．4．5 涂层系统阻尼的测量

第3章 TiZrN和TiN／ZrN复合阻尼涂层的制备、测试、分析及讨论

3．1 氮化钛锆厚度工艺参数的优化

3．1．1 氮化钛厚度工艺参数的选定

3．1．2 氮化锆厚度工艺参数的选定

3．2 氮化钛锆复合涂层工艺的确定

3．2．1 镀膜方法

3．2．2 镀膜工艺

3．3 复合涂层的表面形貌分析

3．4 复合涂层的x射线衍射分析

3．5 TiZrN涂层和TiN／ZrN的对比分析

3．5．1 表面形貌

3．5．2 x射线衍射

3．6 本章小结

第4章 振动阻尼的测试、分析和讨论

4．1 阻尼测试的基础理论

4．1．1 频率响应函数

4．1．2 半功率带宽法

4．2 测试系统简介

4．2．1 测试仪器的性能参数

4．2．2 测试及模态参数识别软件

4．3 测试结果的分析、讨论

4．4 本章小结

第5章 涂层阻尼的数值模拟

5．1 ANSYS分析中的能量损耗机理

5．2 有限元方法在复合阻尼涂层中的应用

5．2．1 ANSYS软件简介

5．2．2 ANSYS有限元分析在复合涂层的中应用

5．3 复合涂层阻尼特性的有限元分析

5．3．1 模型建立

5．3．2 模态分析

5．3．3 谐响应分析

5．4 有限元分析结果和阻尼测试结果的分析与讨论

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附表