本發(fā)明涉及一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞及其制備方法和應(yīng)用，屬于活塞設(shè)計(jì)制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

眾所周知，活塞作為內(nèi)燃機(jī)的“心臟”，其工作的可靠性直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性及排放等一系列重要的性能。然而，其作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，處于高溫、高壓、高負(fù)荷的惡劣環(huán)境，經(jīng)受周期性交變機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，容易發(fā)生熱負(fù)荷失效、熱疲勞失效、熱腐蝕失效、高周疲勞破壞、低周疲勞破壞。活塞頂面作為活塞的一部分，其工作的環(huán)境尤為復(fù)雜：第一，活塞頂面承受著包括高溫燃?xì)獾膲毫?，運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的極大的機(jī)械負(fù)荷，特別是針對(duì)大功率的增壓柴油機(jī)最大燃燒壓力可達(dá)13～15mpa，其壓力升高率可達(dá)0.6～0.8mpa/℃；第二，在活塞工作時(shí)頂面直接與高溫燃?xì)饨佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤筛哌_(dá)2000℃；第三，溫度的急劇升高使活塞材料的機(jī)械性能顯著下降；第四，活塞頂部在整個(gè)過(guò)程中始終有高溫燃?xì)庵苯咏佑|會(huì)產(chǎn)生燒蝕，同時(shí)這些高溫氣體中含有一些腐蝕性物質(zhì)，如sox對(duì)活塞裂紋的擴(kuò)展會(huì)起到促進(jìn)作用。活塞的功能和工作條件決定了活塞材料的基本要求：密度小、質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、耐磨性和耐腐蝕性好等。鋁合金材料兼具有密度小、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率高、高比強(qiáng)、良好的成形性、耐蝕性且可最大限度地回收和利用等優(yōu)異性能，這些使鋁合金成為發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的活塞材料。但是鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)大、高溫強(qiáng)度低、耐熱性差，當(dāng)溫度超過(guò)200℃時(shí)，強(qiáng)度急劇下降而加速磨損，如果溫度過(guò)高，活塞會(huì)出現(xiàn)燒蝕、燒熔，則工作的可靠性就無(wú)法保證。

為了提高傳統(tǒng)鋁合金活塞頂面的抗高溫氧化性、耐蝕性、耐磨性等性能，目前主要存在的表面處理技術(shù)有電鍍、陽(yáng)極氧化、微弧氧化等。然而，由于活塞環(huán)境的復(fù)雜性和國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，這些技術(shù)已經(jīng)不能滿足其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等要求。類金剛石(diamond-likecarbon,dlc)膜是一種硬度、光學(xué)、電化學(xué)、摩擦學(xué)特性等類似于金剛石的非晶碳膜，優(yōu)異的摩擦學(xué)特性、良好的抗蝕性、較好的生物相容性和化學(xué)惰性使其成為具有廣泛應(yīng)用前景的保護(hù)膜及耐磨材料。但是，其高的內(nèi)應(yīng)力使得膜層與基體的界面結(jié)合力較差，以及較差的熱穩(wěn)定性限制了dlc膜的應(yīng)用與發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決活塞(尤其是鋁合金活塞)易燒蝕、易破壞的問(wèn)題，保證活塞使用的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，并且降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，使其符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)具有環(huán)保性，本發(fā)明從鋁合金活塞出發(fā)，提供一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；包括活塞基底、過(guò)渡層、n層tic/dlc膜層、m層緩沖層；所述過(guò)渡層附著在活塞基底的頂面上；第一層tic/dlc膜層附著在過(guò)渡層上；第i層緩沖層附著在第i層tic/dlc膜層上；第i+1層tic/dlc膜層附著在第i層緩沖層上；所述一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞頂面的最外層為第n層tic/dlc膜層；所述n大于等于2；所述m+1＝n；所述i的取值為1～m中的任意一個(gè)值。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述活塞基底為鋁合金活塞基底。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述過(guò)渡層的材質(zhì)為鈦材質(zhì)或鈦合金材質(zhì)。優(yōu)選為鈦材質(zhì)。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述緩沖層的材質(zhì)為鈦材質(zhì)或鈦合金材質(zhì)。優(yōu)選為和過(guò)渡層的材質(zhì)一致。進(jìn)一步優(yōu)選為鈦材質(zhì)。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述反應(yīng)氣體為碳原子小于等于3的烴類；優(yōu)選為乙炔、乙烯、乙烷、甲烷等含碳?xì)怏w，進(jìn)一步優(yōu)選為乙炔氣體。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；過(guò)渡層的厚度為0.5～5μm、優(yōu)選為1-5μm。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；單層緩沖層的厚度為100-600nm、進(jìn)一步優(yōu)選為450-550nm。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；過(guò)渡層與單層緩沖層的厚度比為3-6:1、優(yōu)選為4.5-6:1。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；單層tic/dlc膜的厚度為2.0～9.0μm。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述m＝2。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述過(guò)渡層、n層tic/dlc膜層、m層緩沖層構(gòu)成多層隔熱厚膜；所述多層隔熱厚膜的厚度為5～40μm。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；其實(shí)施方案為：先在表面清潔干燥的活塞基底的頂面上制備一層過(guò)渡層；然后在過(guò)渡層上制備第一層tic/dlc膜層；接著在第一層tic/dlc膜層制備一層緩沖層；按照一層tic/dlc膜層配備一層緩沖層的模式循環(huán)制備tic/dlc膜層和緩沖層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩沖層；在中間層的頂面上再制備一層tic/dlc膜層，得到所述頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞。

作為優(yōu)選方案，一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；包括下述步驟：

步驟一

以鈦或鈦合金為電弧源、優(yōu)選以純度大于等于99％的ti為電弧源，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔干燥的活塞基底的頂面上沉積一層過(guò)渡層；得到帶有過(guò)渡層的活塞基底；

步驟二

以鈦或鈦合金為電弧源、優(yōu)選以純度大于等于99％的ti為電弧源，以碳原子小于等于3的烴類為反應(yīng)氣體，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層tic/dlc膜層；

步驟三

以鈦或鈦合金為電弧源、優(yōu)選以純度大于等于99％的ti為電弧源，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層緩沖層；

步驟四

按照一層tic/dlc膜層配備一層緩沖層的模式，重復(fù)步驟二、步驟三循環(huán)制備tic/dlc膜層和緩沖層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩沖層；

步驟五

以鈦或鈦合金為電弧源、優(yōu)選以純度大于等于99％的ti為電弧源，以碳原子小于等于3的烴類為反應(yīng)氣體，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法，在中間層的頂面上沉積一層tic/dlc膜層；得到所述頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞。

作為優(yōu)選方案，一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法，當(dāng)緩沖層、過(guò)渡層的材質(zhì)均為ti時(shí)，

其制備方法的步驟一中，以純度大于等于99％的ti源為電弧源，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔干燥的活塞基底的頂面上沉積一層過(guò)渡層；得到帶有過(guò)渡層的活塞基底；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積前，控制磁過(guò)濾陰極真空弧沉積設(shè)備中真空室的壓強(qiáng)為3.0～5.5×10^-3pa；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積時(shí)，控制起弧電流為90～110a、彎管磁場(chǎng)為1.5～3.0a、直管磁場(chǎng)為2.0～4.0a、束流強(qiáng)度為350～400ma、占空比為60～90％；順序采用-1000v、-800v、-600v、-400v進(jìn)行沉積，每個(gè)負(fù)壓點(diǎn)沉積20～40s，在-400v沉積完成后，在負(fù)壓-300v時(shí)，沉積5～20min；得到帶有過(guò)渡層的活塞基底；

其制備方法的步驟二中，以鈦為電弧源，以乙炔氣體為反應(yīng)氣體，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層tic/dlc膜層；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積前，控制真空室壓強(qiáng)為3.0～5.5×10^-3pa，磁過(guò)濾陰極真空弧沉積時(shí)，控制束流強(qiáng)度為100～150ma、占空比為10～20％、乙炔流量順序采用a1sccm、a2sccm、a3sccm、···、ansccm沉積，每個(gè)流量點(diǎn)沉積20～40s，在乙炔流量為ansccm沉積完成后，接著在乙炔流量為an+1sccm沉積10～25min；得到第一層tic/dlc膜層；其中ai-ai-1＝q，所述i選自2-n中任意一個(gè)整數(shù)，所述n大于等于3；所述q選自5-20中任意一個(gè)整數(shù)；

其制備方法的步驟三中，在步驟二完成后，關(guān)閉反應(yīng)氣體流量開(kāi)關(guān)；，調(diào)節(jié)占空比為60～90％；進(jìn)行磁過(guò)濾陰極真空弧沉積ti層；得到第一層緩沖層。然后再重復(fù)重復(fù)上述條件的步驟二、步驟三循環(huán)制備tic/dlc膜層和緩沖層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩沖層。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟一、二、三、四、五均在fcva系統(tǒng)中進(jìn)行。所述fcva系統(tǒng)包括fcva真空鎖鍍膜系統(tǒng)。當(dāng)然也包括fcva真空鍍膜連續(xù)生產(chǎn)線。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟一中，以鈦為電弧源，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔干燥的活塞基底的頂面上沉積一層過(guò)渡層；得到帶有過(guò)渡層的活塞基底；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積前，控制磁過(guò)濾陰極真空弧沉積設(shè)備中真空室的壓強(qiáng)為3.0～5.5×10^-3pa；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積時(shí)，控制起弧電流為90～110a、彎管磁場(chǎng)為1.5～3.0a、直管磁場(chǎng)為2.0～4.0a、束流強(qiáng)度為350～400ma、占空比為60～90％；順序采用-1000v、-800v、-600v、-400v進(jìn)行沉積，每個(gè)負(fù)壓點(diǎn)沉積20～40s，在-400v沉積完成后，在負(fù)壓-300v時(shí)，沉積5～20min；得到帶有過(guò)渡層的活塞基底。在步驟一中生成的過(guò)渡層為第一層ti膜層，其為內(nèi)應(yīng)力過(guò)渡層。本發(fā)明在鋁合金活塞頂面與tic/dlc膜之間沉積一層金屬ti過(guò)渡層(優(yōu)選為1-5微米)，改善它們的適應(yīng)性，緩解化學(xué)鍵、熱膨脹系數(shù)等性能的差別，增強(qiáng)它們之間的結(jié)合強(qiáng)度。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟一中，表面清潔干燥的活塞基底是通過(guò)下述方案得到：對(duì)基底表面進(jìn)行拋光處理，去除其表面的氧化物，然后用酒精清洗；烘干，得到表面清潔干燥的活塞基底。所述活塞基底優(yōu)選為鋁合金活塞基底。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟一中，磁過(guò)濾陰極真空弧沉積前；用吸塵器將真空室中殘留的灰塵和附著物吸凈，并用無(wú)水乙醇和紗布擦拭樣品臺(tái)；然后將表面清潔干燥的活塞基底置于真空室樣品臺(tái)上；關(guān)閉真空室，抽真空至真空室的壓強(qiáng)為3.0～5.5×10^-3pa。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟二中，以鈦為電弧源，以乙炔氣體為反應(yīng)氣體，采用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層tic/dlc膜層；磁過(guò)濾陰極真空弧沉積前，控制真空室壓強(qiáng)為3.0～5.5×10^-3pa，磁過(guò)濾陰極真空弧沉積時(shí)，控制束流強(qiáng)度為100～150ma、占空比為10～20％、乙炔流量順序采用a1sccm、a2sccm、a3sccm、···、ansccm沉積，每個(gè)流量點(diǎn)沉積20～40s，在乙炔流量為ansccm沉積完成后，接著在乙炔流量為an+1sccm沉積10～25min；得到第一層tic/dlc膜層；其中ai-ai-1＝q，所述i選自2-n中任意一個(gè)整數(shù)，所述n大于等于3；所述q選自5-20中任意一個(gè)整數(shù)。優(yōu)選為恒值10。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，a1＝10。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；步驟三中，在步驟二完成后，關(guān)閉乙炔流量開(kāi)關(guān)；，調(diào)節(jié)占空比為60～90％；進(jìn)行磁過(guò)濾陰極真空弧沉積ti層；得到第一層緩沖層。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，沉積第一層緩沖層的時(shí)間為2～5min。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，沉積第一層緩沖層的時(shí)間小于過(guò)渡層的沉積時(shí)間。

作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；單層緩沖層的厚度為0.1～0.5μm。作為更進(jìn)一步的優(yōu)選方案，單層緩沖層的厚度小于過(guò)渡層的厚度。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；所制備的單層tic/dlc膜層的厚度為2.0～9.0μm。

作為優(yōu)選方案；本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的制備方法；所制備的頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞中，tic/dlc膜層的層數(shù)為3-5層；緩沖層的層數(shù)為2-4層。

本發(fā)明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的應(yīng)用，包括將其用于內(nèi)燃機(jī)。

原理和優(yōu)勢(shì)

(1)硬質(zhì)類金剛石膜的膜-基結(jié)合力差、內(nèi)應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差缺點(diǎn)限制了其在較軟鋁合金活塞中的應(yīng)用。本發(fā)明選擇在活塞頂面(尤其是鋁合金活塞頂面)沉積ti摻雜類金剛石膜，不僅能夠有效降低內(nèi)應(yīng)力以及改善結(jié)合力，而且ti元素的摻入dlc膜中能夠形成金屬碳化物，其性質(zhì)介于dlc膜與金屬碳化物之間，具有良好的抗熱沖擊性和熱穩(wěn)定性。

(2)較軟活塞材料(尤其是鋁合金活塞)和鈦摻雜類金剛石膜的熱膨脹系數(shù)、硬度以及彈性模量相差很大，因而兩種材料的界面結(jié)合強(qiáng)度較低，限制了膜厚度。本發(fā)明在鋁合金活塞頂面與tic/dlc膜之間沉積一層過(guò)渡層(0.5～5μm)，改善它們的適應(yīng)性，緩解化學(xué)鍵、熱膨脹系數(shù)等性能的差別，增強(qiáng)它們之間的結(jié)合強(qiáng)度。

(3)活塞頂面與燃燒室直接接觸，工作過(guò)程中受到循環(huán)熱沖擊作用。如果鈦摻雜類金剛石膜為單層厚膜時(shí)，一方面由于冷熱循環(huán)，鈦摻雜類金剛石膜層中會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力；另一方面單層厚膜中會(huì)有柱狀晶生長(zhǎng)、細(xì)化晶粒，降低了鈦摻雜類金剛石膜的硬度和抗沖擊能力。因此，本發(fā)明采用多層調(diào)制周期結(jié)構(gòu)的鈦摻雜類金剛石膜，每tic/dlc單膜層(2.0～9.0μm)之間磁過(guò)濾沉積一層緩沖膜層(0.1～0.5μm)。多膜層結(jié)構(gòu)不僅能夠釋放由于冷熱循環(huán)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免膜層剝落，而且能夠防止膜中柱狀晶的生長(zhǎng)、細(xì)化晶粒，提高膜的硬度、耐磨性和抗熱沖擊能力。

(4)本發(fā)明在活塞頂面(尤其是鋁合金活塞頂面)沉積鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜，采用磁過(guò)濾陰極真空弧(fcva)沉積技術(shù)，與傳統(tǒng)離子鍍方式相比，此種技術(shù)的特點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、電離化率高、膜均勻性好、膜-基結(jié)合力強(qiáng)等，并且fcva技術(shù)沉積速率高，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積，有利于鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜在鋁合金活塞頂面應(yīng)用的工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的制備方法種主要是采用fcva技術(shù)，其以純度99％鈦為電弧源，以乙炔為反應(yīng)氣體激發(fā)電離提供碳原子，通過(guò)調(diào)節(jié)彎管磁場(chǎng)電流、直管磁場(chǎng)電流、負(fù)壓、占空比、沉積時(shí)間以及調(diào)制周期等實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)獲得具有鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜，總厚度可達(dá)5～40μm。

綜上所述，本發(fā)明所公開(kāi)的鋁合金活塞頂面鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明活塞頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜，通過(guò)引入特殊鈦過(guò)渡層的方法，能夠有效釋放膜層內(nèi)應(yīng)力，大大增強(qiáng)膜-基結(jié)合力，膜厚可達(dá)5～40μm。

2、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明首次將鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的制備工藝首次應(yīng)用在鋁合金活塞頂面，通過(guò)膜層設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，克服了硬質(zhì)類金剛石膜與較軟鋁合金活塞頂面基底之間界面應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力高、附著力差、承載能力弱等缺點(diǎn)，同時(shí)也克服了膜層易剝落、易崩裂的缺點(diǎn)，使膜與鋁合金活塞頂面牢固結(jié)合，能夠顯著提高鋁合金活塞頂面的耐磨性、抗氧化性和抗熱沖擊性，且有效延長(zhǎng)了使用壽命，能夠滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高功效以及低排放的要求。

3、本發(fā)明相比較其他pvd和cvd沉積方法，其設(shè)備原子離化率高，大約在90％以上，能夠增加等離子密度，并且設(shè)備中采用90°彎管和180°直管作為磁過(guò)濾裝置，成膜時(shí)大顆粒大大減少，能夠有效提高膜硬度、耐磨性、致密性、均勻性、膜-基結(jié)合力等性能。

4、本發(fā)明采用的fcva技術(shù)，具有綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，沉積速率快，可大面積沉積等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的技術(shù)，具有產(chǎn)品性能穩(wěn)定、制備效率高、條件參數(shù)易控等優(yōu)勢(shì)，使其在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞中具有非常廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

總之，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜能夠顯著提高活塞頂面的耐磨性、抗氧化性和抗熱沖擊性，且有效率延長(zhǎng)了其使用壽命，能夠滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高功效以及低排放的要求。

附圖說(shuō)明

圖1a為本發(fā)明實(shí)施例一鋁合金活塞頂面鈦摻雜類金剛石多層厚膜實(shí)物圖；

圖1b為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1c為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜截面sem圖；

圖1d為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜截面能譜圖；

圖1e為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜拉曼光譜測(cè)試圖；

圖1f為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜洛氏壓痕測(cè)試示意圖；

圖1g為本發(fā)明實(shí)施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜摩擦磨損測(cè)試圖；

圖1h為本發(fā)明實(shí)施例一fcva法處理活塞和磷化處理活塞隔熱性能對(duì)比圖；

圖2a為本發(fā)明實(shí)施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時(shí)間為16.25min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜洛氏壓痕示意圖；

圖2b為本發(fā)明實(shí)施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時(shí)間為10min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜洛氏壓痕示意圖；

圖3a為本發(fā)明實(shí)施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時(shí)間為16.25min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測(cè)試結(jié)果圖；

圖3b為本發(fā)明實(shí)施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時(shí)間為10min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測(cè)試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖說(shuō)明，詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施技術(shù)方案，顯然，所描述實(shí)施例僅是本發(fā)明部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供了鋁合金活塞頂面鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜及其制備方法，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明技術(shù)方案主要包括兩大步驟：一是預(yù)處理；二是制備工藝。其中制備工藝不同，而預(yù)處理完全相同。預(yù)處理主要包括：

(1)fcva系統(tǒng)真空室預(yù)處理：在鋁合金活塞放入真空室前，用吸塵器將真空室中殘留的灰塵和附著物吸凈，并用無(wú)水乙醇和紗布擦拭樣品臺(tái)；

(2)鋁合金活塞襯底預(yù)處理：鋁合金活塞基底表面進(jìn)行拋光處理，去除其表面氧化物，然后用酒精清洗后，吹風(fēng)機(jī)吹干快速放入已處理的真空室樣品臺(tái)上，關(guān)閉真空室。

(3)開(kāi)始鍍膜前，fcva系統(tǒng)的真空度為3.0～5.5×10^-3pa。

下面將通過(guò)具體的實(shí)施例來(lái)介紹制備工藝。

實(shí)施例一

(a)采用fcva系統(tǒng)，打開(kāi)鈦電源弧，調(diào)節(jié)起弧電流為100a，彎管磁場(chǎng)2.0a，直管磁場(chǎng)3.5a，占空比為90％，順序采用負(fù)壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預(yù)處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個(gè)負(fù)壓點(diǎn)沉積30s，在負(fù)壓為-300v時(shí)，沉積20min；

(b)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為20％，同時(shí)打開(kāi)氣體流量開(kāi)關(guān)通入乙炔氣體，乙炔流量順序采用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個(gè)流量點(diǎn)沉積30s，在乙炔流量為80sccm時(shí)，沉積15min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為90％，關(guān)閉氣體流量開(kāi)關(guān)，沉積3min，得到ti膜層；

(d)重復(fù)步驟(b)和(c)，最后一層膜為(b)沉積得到具有重復(fù)2次(b)和(c)膜層的鈦摻雜類金剛石膜。

圖1a為本實(shí)施例鋁合金活塞鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的實(shí)物圖。圖1b為本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的膜層結(jié)構(gòu)示意圖。圖1c和1d為本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的截面sem圖以及能譜圖。由對(duì)比圖1b、1c和1d可知，通過(guò)fcva法獲得鈦摻雜類金剛石厚膜與預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明制備工藝是可靠的。通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)得本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石膜厚為19.226μm。

圖1e為本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石厚膜的拉曼光譜試驗(yàn)圖。圖1d表明raman光譜在1000cm^-1～1800cm^-1之間有兩個(gè)展寬散射峰，通過(guò)gaussian擬合法將其擬合分為兩個(gè)gaussian峰，其中在1355cm^-1附近為d峰，在1571cm^-1附近為g峰，具備典型的類金剛石膜結(jié)構(gòu)。圖1f為本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石厚膜的洛氏壓痕試驗(yàn)圖，膜-基結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了定義的hf4，膜-基結(jié)合力良好。圖1g為本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損試驗(yàn)圖，其平均摩擦系數(shù)為0.1959。

對(duì)本實(shí)施例鋁合金活塞鈦摻雜類金剛石膜采用活塞熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了熱沖擊試驗(yàn)后，未出現(xiàn)膜層脫落現(xiàn)象。為進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例鋁合金活塞具有較好的隔熱性能，選取普通磷化處理的鋁合金活塞為對(duì)照組，對(duì)比兩種活塞在加熱100℃～250℃同一溫度段下所需要的時(shí)間，取20個(gè)熱沖擊循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖1g為兩種活塞隔熱性能對(duì)比圖，其中a為本實(shí)施例鋁合金活塞隔熱性能試驗(yàn)圖，b為磷化處理鋁合金活塞隔熱性能試驗(yàn)圖。圖1h表明本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石多層厚膜鋁合金活塞與磷化處理鋁合金活塞在加熱100℃～250℃同一溫度段下，經(jīng)過(guò)20次循環(huán)測(cè)試，前者需要的時(shí)間比后者多了32s，說(shuō)明本實(shí)施例制備獲得的鈦摻雜鋁合金多層厚膜起到了比較好的隔熱效果。

實(shí)施例二

(a)采用fcva系統(tǒng)，打開(kāi)鈦電源弧，調(diào)節(jié)起弧電流100a，彎管磁場(chǎng)2.0a，直管磁場(chǎng)3.5a，占空比為90％，順序采用負(fù)壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預(yù)處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個(gè)負(fù)壓點(diǎn)沉積30s，在負(fù)壓為-300v時(shí)，沉積20min；

(b)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為20％，同時(shí)打開(kāi)氣體流量開(kāi)關(guān)通入乙炔氣體，乙炔流量順序采用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個(gè)流量點(diǎn)沉積30s，在乙炔流量為80sccm時(shí)，沉積22.5min/16.25min/10min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為90％，關(guān)閉氣體流量開(kāi)關(guān)，沉積3min，得到ti膜層；

(d)重復(fù)步驟(b)，沉積得到僅具有重復(fù)1次(b)和(c)膜層的鈦摻雜類金剛石膜。

通過(guò)調(diào)節(jié)步驟(b)中tic/dlc膜層沉積時(shí)間的不同探究tic/dlc厚度對(duì)于鈦摻雜類金剛石厚膜的性能影響，即本實(shí)施例步驟(b)中預(yù)設(shè)乙炔流量為80sccm時(shí)沉積分別預(yù)設(shè)為22.5min、16.25min、10min獲得不同的鈦摻雜類金剛石多層厚膜。臺(tái)階儀對(duì)該實(shí)施例所制得的鈦摻雜類金剛石厚膜進(jìn)行測(cè)試，沉積22.5min、16.25min、10min獲得鈦摻雜類金剛石膜厚分別為21.382μm、15.386μm、11.322μm。圖2a、2b分別為本例沉積時(shí)間為16.25min、10min時(shí)制備獲得厚膜的洛氏壓痕法測(cè)試圖，表明膜-基結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了定義的hf1、hf2，膜-基結(jié)合力非常好。圖3a、b為本例沉積時(shí)間分別為16.25min、10min制備獲得鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測(cè)試示意圖，可知平均摩擦系數(shù)分別為0.0675、0.1110。

實(shí)施例三

(a)采用fcva系統(tǒng)，打開(kāi)鈦電源弧，調(diào)節(jié)起弧電流100a，彎管磁場(chǎng)2.0a，直管磁場(chǎng)3.5a，占空比為90％，順序采用負(fù)壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預(yù)處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個(gè)負(fù)壓點(diǎn)沉積30s，在負(fù)壓為-300v時(shí)，沉積10min；

(b)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為20％，同時(shí)打開(kāi)氣體流量開(kāi)關(guān)通入乙炔氣體，乙炔流量順序采用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個(gè)流量點(diǎn)沉積30s，在乙炔流量為80sccm時(shí)，沉積10min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開(kāi)鈦電弧源，調(diào)節(jié)占空比為90％，關(guān)閉氣體流量開(kāi)關(guān)，沉積3min，得到ti膜層；

(d)重復(fù)步驟(b)，沉積得到僅具有重復(fù)1次(b)和(c)膜層的鈦摻雜類金剛石膜。

臺(tái)階儀對(duì)本實(shí)施例鈦摻雜類金剛石厚膜進(jìn)行測(cè)試，膜厚為9.558μm。

實(shí)施例四

基于實(shí)施例三，調(diào)節(jié)步驟(a)ti過(guò)渡層的沉積時(shí)間來(lái)獲得過(guò)渡層厚度不同的鈦摻雜類金剛石多層厚膜。本實(shí)施例由實(shí)施例三步驟(a)在-300v沉積10min改為沉積5min。通過(guò)臺(tái)階儀對(duì)該實(shí)施例鈦摻雜類金剛石厚膜進(jìn)行測(cè)試，膜厚為7.469μm。洛氏壓痕法測(cè)試表明膜-基結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了定義的hf2，膜-基結(jié)合力非常好，磨損測(cè)試可知平均摩擦系數(shù)為0.1065。

實(shí)施例五

基于實(shí)施例三，調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)乙炔通氣量，即實(shí)施例三步驟(b)中乙炔通氣量分別改為10sccm、20sccm、40sccm、120sccm、160sccm，其他工藝相同，獲得不同乙炔流量下鋁合金活塞頂面鈦摻雜類金剛石厚膜。

通過(guò)臺(tái)階儀分別對(duì)乙炔流量為10sccm、20sccm、40sccm、120sccm、160sccm的鈦摻雜類金剛石厚膜測(cè)試，膜厚分別為6.134μm、7.334μm、8.656μm、12.112μm、12.570μm。乙炔流量為10sccm和20sccm時(shí)獲得鈦摻雜類金剛石厚膜的洛氏壓痕法測(cè)試表明膜-基結(jié)合強(qiáng)度分別達(dá)到了定義的hf3、hf2，膜-基結(jié)合力非常好。乙炔流量分別為10sccm、20sccm、40sccm、120sccm、160sccm時(shí)獲得鈦摻雜類金剛石厚膜的摩擦磨損測(cè)試可知其平均摩擦系數(shù)分別為0.5302、0.7686、0.6854、0.1138、0.1221。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，上述實(shí)施例僅為對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明不僅限于上述具體實(shí)施方式，在本發(fā)明的上述指導(dǎo)下，可以在實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種改進(jìn)和變形，而這些改進(jìn)或者變形均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。