一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞及其製備方法和應用與流程

2023-06-21 14:01:16

本發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製備方法和應用，屬於活塞設計製備技術領域。

背景技術：

眾所周知，活塞作為內燃機的「心臟」，其工作的可靠性直接決定了發動機汽車的可靠性、耐久性、經濟性及排放等一系列重要的性能。然而，其作為發動機的關鍵零件之一，處於高溫、高壓、高負荷的惡劣環境，經受周期性交變機械負荷和熱負荷，容易發生熱負荷失效、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，其工作的環境尤為複雜：第一，活塞頂面承受著包括高溫燃氣的壓力，運動中產生的極大的機械負荷，特別是針對大功率的增壓柴油機最大燃燒壓力可達13～15mpa，其壓力升高率可達0.6～0.8mpa/℃；第二，在活塞工作時頂面直接與高溫燃氣接觸，燃氣的最高溫度可高達2000℃；第三，溫度的急劇升高使活塞材料的機械性能顯著下降；第四，活塞頂部在整個過程中始終有高溫燃氣直接接觸會產生燒蝕，同時這些高溫氣體中含有一些腐蝕性物質，如sox對活塞裂紋的擴展會起到促進作用。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、質量輕、熱膨脹係數低、導熱性好、耐磨性和耐腐蝕性好等。鋁合金材料兼具有密度小、質量輕、導熱率高、高比強、良好的成形性、耐蝕性且可最大限度地回收和利用等優異性能，這些使鋁合金成為發動機廣泛應用的活塞材料。但是鋁合金材料的熱膨脹係數大、高溫強度低、耐熱性差，當溫度超過200℃時，強度急劇下降而加速磨損，如果溫度過高，活塞會出現燒蝕、燒熔，則工作的可靠性就無法保證。

為了提高傳統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有電鍍、陽極氧化、微弧氧化等。然而，由於活塞環境的複雜性和國家環保排放標準的提高，這些技術已經不能滿足其經濟性、動力性等要求。類金剛石(diamond-likecarbon,dlc)膜是一種硬度、光學、電化學、摩擦學特性等類似於金剛石的非晶碳膜，優異的摩擦學特性、良好的抗蝕性、較好的生物相容性和化學惰性使其成為具有廣泛應用前景的保護膜及耐磨材料。但是，其高的內應力使得膜層與基體的界面結合力較差，以及較差的熱穩定性限制了dlc膜的應用與發展。

技術實現要素：

為了解決活塞(尤其是鋁合金活塞)易燒蝕、易破壞的問題，保證活塞使用的可靠性，延長其使用壽命，並且降低發動機的排放，使其符合國家標準具有環保性，本發明從鋁合金活塞出發，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製備方法和應用。

本發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、過渡層、n層tic/dlc膜層、m層緩衝層；所述過渡層附著在活塞基底的頂面上；第一層tic/dlc膜層附著在過渡層上；第i層緩衝層附著在第i層tic/dlc膜層上；第i+1層tic/dlc膜層附著在第i層緩衝層上；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大於等於2；所述m+1＝n；所述i的取值為1～m中的任意一個值。

本發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；所述過渡層的材質為鈦材質或鈦合金材質。優選為鈦材質。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述緩衝層的材質為鈦材質或鈦合金材質。優選為和過渡層的材質一致。進一步優選為鈦材質。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述反應氣體為碳原子小於等於3的烴類；優選為乙炔、乙烯、乙烷、甲烷等含碳氣體，進一步優選為乙炔氣體。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；過渡層的厚度為0.5～5μm、優選為1-5μm。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；單層緩衝層的厚度為100-600nm、進一步優選為450-550nm。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；過渡層與單層緩衝層的厚度比為3-6:1、優選為4.5-6:1。

本發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。

作為優選方案，本發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。

作為優選方案，本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞；所述過渡層、n層tic/dlc膜層、m層緩衝層構成多層隔熱厚膜；所述多層隔熱厚膜的厚度為5～40μm。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；其實施方案為：先在表面清潔乾燥的活塞基底的頂面上製備一層過渡層；然後在過渡層上製備第一層tic/dlc膜層；接著在第一層tic/dlc膜層製備一層緩衝層；按照一層tic/dlc膜層配備一層緩衝層的模式循環製備tic/dlc膜層和緩衝層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩衝層；在中間層的頂面上再製備一層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製備方法；包括下述步驟：

步驟一

以鈦或鈦合金為電弧源、優選以純度大於等於99％的ti為電弧源，採用磁過濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔乾燥的活塞基底的頂面上沉積一層過渡層；得到帶有過渡層的活塞基底；

步驟二

以鈦或鈦合金為電弧源、優選以純度大於等於99％的ti為電弧源，以碳原子小於等於3的烴類為反應氣體，採用磁過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、優選以純度大於等於99％的ti為電弧源，採用磁過濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層緩衝層；

步驟四

按照一層tic/dlc膜層配備一層緩衝層的模式，重複步驟二、步驟三循環製備tic/dlc膜層和緩衝層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩衝層；

步驟五

以鈦或鈦合金為電弧源、優選以純度大於等於99％的ti為電弧源，以碳原子小於等於3的烴類為反應氣體，採用磁過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製備方法，當緩衝層、過渡層的材質均為ti時，

其製備方法的步驟一中，以純度大於等於99％的ti源為電弧源，採用磁過濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔乾燥的活塞基底的頂面上沉積一層過渡層；得到帶有過渡層的活塞基底；磁過濾陰極真空弧沉積前，控制磁過濾陰極真空弧沉積設備中真空室的壓強為3.0～5.5×10-3pa；磁過濾陰極真空弧沉積時，控制起弧電流為90～110a、彎管磁場為1.5～3.0a、直管磁場為2.0～4.0a、束流強度為350～400ma、佔空比為60～90％；順序採用-1000v、-800v、-600v、-400v進行沉積，每個負壓點沉積20～40s，在-400v沉積完成後，在負壓-300v時，沉積5～20min；得到帶有過渡層的活塞基底；

其製備方法的步驟二中，以鈦為電弧源，以乙炔氣體為反應氣體，採用磁過濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層tic/dlc膜層；磁過濾陰極真空弧沉積前，控制真空室壓強為3.0～5.5×10-3pa，磁過濾陰極真空弧沉積時，控制束流強度為100～150ma、佔空比為10～20％、乙炔流量順序採用a1sccm、a2sccm、a3sccm、···、ansccm沉積，每個流量點沉積20～40s，在乙炔流量為ansccm沉積完成後，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中任意一個整數，所述n大於等於3；所述q選自5-20中任意一個整數；

其製備方法的步驟三中，在步驟二完成後，關閉反應氣體流量開關；，調節佔空比為60～90％；進行磁過濾陰極真空弧沉積ti層；得到第一層緩衝層。然後再重複重複上述條件的步驟二、步驟三循環製備tic/dlc膜層和緩衝層，得到中間層，所述中間層的頂面為緩衝層。

作為優選方案，本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟一、二、三、四、五均在fcva系統中進行。所述fcva系統包括fcva真空鎖鍍膜系統。當然也包括fcva真空鍍膜連續生產線。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟一中，以鈦為電弧源，採用磁過濾陰極真空弧沉積法，在表面清潔乾燥的活塞基底的頂面上沉積一層過渡層；得到帶有過渡層的活塞基底；磁過濾陰極真空弧沉積前，控制磁過濾陰極真空弧沉積設備中真空室的壓強為3.0～5.5×10-3pa；磁過濾陰極真空弧沉積時，控制起弧電流為90～110a、彎管磁場為1.5～3.0a、直管磁場為2.0～4.0a、束流強度為350～400ma、佔空比為60～90％；順序採用-1000v、-800v、-600v、-400v進行沉積，每個負壓點沉積20～40s，在-400v沉積完成後，在負壓-300v時，沉積5～20min；得到帶有過渡層的活塞基底。在步驟一中生成的過渡層為第一層ti膜層，其為內應力過渡層。本發明在鋁合金活塞頂面與tic/dlc膜之間沉積一層金屬ti過渡層(優選為1-5微米)，改善它們的適應性，緩解化學鍵、熱膨脹係數等性能的差別，增強它們之間的結合強度。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟一中，表面清潔乾燥的活塞基底是通過下述方案得到：對基底表面進行拋光處理，去除其表面的氧化物，然後用酒精清洗；烘乾，得到表面清潔乾燥的活塞基底。所述活塞基底優選為鋁合金活塞基底。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟一中，磁過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淨，並用無水乙醇和紗布擦拭樣品臺；然後將表面清潔乾燥的活塞基底置於真空室樣品臺上；關閉真空室，抽真空至真空室的壓強為3.0～5.5×10-3pa。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟二中，以鈦為電弧源，以乙炔氣體為反應氣體，採用磁過濾陰極真空弧沉積法沉積得到第一層tic/dlc膜層；磁過濾陰極真空弧沉積前，控制真空室壓強為3.0～5.5×10-3pa，磁過濾陰極真空弧沉積時，控制束流強度為100～150ma、佔空比為10～20％、乙炔流量順序採用a1sccm、a2sccm、a3sccm、···、ansccm沉積，每個流量點沉積20～40s，在乙炔流量為ansccm沉積完成後，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中任意一個整數，所述n大於等於3；所述q選自5-20中任意一個整數。優選為恆值10。作為進一步的優選方案，a1＝10。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；步驟三中，在步驟二完成後，關閉乙炔流量開關；，調節佔空比為60～90％；進行磁過濾陰極真空弧沉積ti層；得到第一層緩衝層。

作為進一步的優選方案，沉積第一層緩衝層的時間為2～5min。作為進一步的優選方案，沉積第一層緩衝層的時間小於過渡層的沉積時間。

作為進一步的優選方案，本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；單層緩衝層的厚度為0.1～0.5μm。作為更進一步的優選方案，單層緩衝層的厚度小於過渡層的厚度。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；所製備的單層tic/dlc膜層的厚度為2.0～9.0μm。

作為優選方案；本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的製備方法；所製備的頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞中，tic/dlc膜層的層數為3-5層；緩衝層的層數為2-4層。

本發明一種頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的活塞的應用，包括將其用於內燃機。

原理和優勢

(1)硬質類金剛石膜的膜-基結合力差、內應力高、熱穩定性差缺點限制了其在較軟鋁合金活塞中的應用。本發明選擇在活塞頂面(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應力以及改善結合力，而且ti元素的摻入dlc膜中能夠形成金屬碳化物，其性質介於dlc膜與金屬碳化物之間，具有良好的抗熱衝擊性和熱穩定性。

(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係數、硬度以及彈性模量相差很大，因而兩種材料的界面結合強度較低，限制了膜厚度。本發明在鋁合金活塞頂面與tic/dlc膜之間沉積一層過渡層(0.5～5μm)，改善它們的適應性，緩解化學鍵、熱膨脹係數等性能的差別，增強它們之間的結合強度。

(3)活塞頂面與燃燒室直接接觸，工作過程中受到循環熱衝擊作用。如果鈦摻雜類金剛石膜為單層厚膜時，一方面由於冷熱循環，鈦摻雜類金剛石膜層中會產生較大熱應力；另一方面單層厚膜中會有柱狀晶生長、細化晶粒，降低了鈦摻雜類金剛石膜的硬度和抗衝擊能力。因此，本發明採用多層調製周期結構的鈦摻雜類金剛石膜，每tic/dlc單膜層(2.0～9.0μm)之間磁過濾沉積一層緩衝膜層(0.1～0.5μm)。多膜層結構不僅能夠釋放由於冷熱循環產生的內應力，避免膜層剝落，而且能夠防止膜中柱狀晶的生長、細化晶粒，提高膜的硬度、耐磨性和抗熱衝擊能力。

(4)本發明在活塞頂面(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，採用磁過濾陰極真空弧(fcva)沉積技術，與傳統離子鍍方式相比，此種技術的特點在於設備簡單、電離化率高、膜均勻性好、膜-基結合力強等，並且fcva技術沉積速率高，能夠實現大面積沉積，有利於鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜在鋁合金活塞頂面應用的工業化生產。

本發明所設計的製備方法種主要是採用fcva技術，其以純度99％鈦為電弧源，以乙炔為反應氣體激發電離提供碳原子，通過調節彎管磁場電流、直管磁場電流、負壓、佔空比、沉積時間以及調製周期等實驗參數來獲得具有鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜，總厚度可達5～40μm。

綜上所述，本發明所公開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點：

1、本發明活塞頂面為鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜，通過引入特殊鈦過渡層的方法，能夠有效釋放膜層內應力，大大增強膜-基結合力，膜厚可達5～40μm。

2、作為本發明的優選方案，本發明首次將鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的製備工藝首次應用在鋁合金活塞頂面，通過膜層設計和工藝參數調節，克服了硬質類金剛石膜與較軟鋁合金活塞頂面基底之間界面應力和內應力高、附著力差、承載能力弱等缺點，同時也克服了膜層易剝落、易崩裂的缺點，使膜與鋁合金活塞頂面牢固結合，能夠顯著提高鋁合金活塞頂面的耐磨性、抗氧化性和抗熱衝擊性，且有效延長了使用壽命，能夠滿足現代發動機高速、高功效以及低排放的要求。

3、本發明相比較其他pvd和cvd沉積方法，其設備原子離化率高，大約在90％以上，能夠增加等離子密度，並且設備中採用90°彎管和180°直管作為磁過濾裝置，成膜時大顆粒大大減少，能夠有效提高膜硬度、耐磨性、緻密性、均勻性、膜-基結合力等性能。

4、本發明採用的fcva技術，具有綠色環保，不會對生態環境造成汙染，沉積速率快，可大面積沉積等優勢。同時，採用本發明所設計的技術，具有產品性能穩定、製備效率高、條件參數易控等優勢，使其在發動機鋁合金活塞中具有非常廣闊的應用價值。

總之，本發明所設計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、抗氧化性和抗熱衝擊性，且有效率延長了其使用壽命，能夠滿足現代發動機高速、高功效以及低排放的要求。

附圖說明

圖1a為本發明實施例一鋁合金活塞頂面鈦摻雜類金剛石多層厚膜實物圖；

圖1b為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜結構示意圖；

圖1c為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜截面sem圖；

圖1d為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜截面能譜圖；

圖1e為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜拉曼光譜測試圖；

圖1f為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜洛氏壓痕測試示意圖；

圖1g為本發明實施例一鈦摻雜類金剛石多層厚膜摩擦磨損測試圖；

圖1h為本發明實施例一fcva法處理活塞和磷化處理活塞隔熱性能對比圖；

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

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

圖3a為本發明實施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時間為16.25min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測試結果圖；

圖3b為本發明實施例二中，單層tic/dlc膜層沉積時間為10min的鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測試結果圖。

具體實施方式

結合附圖說明，詳細描述本發明實施技術方案，顯然，所描述實施例僅是本發明部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發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製備方法，為了實現本發明的目的，本發明技術方案主要包括兩大步驟：一是預處理；二是製備工藝。其中製備工藝不同，而預處理完全相同。預處理主要包括：

(1)fcva系統真空室預處理：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淨，並用無水乙醇和紗布擦拭樣品臺；

(2)鋁合金活塞襯底預處理：鋁合金活塞基底表面進行拋光處理，去除其表面氧化物，然後用酒精清洗後，吹風機吹乾快速放入已處理的真空室樣品臺上，關閉真空室。

(3)開始鍍膜前，fcva系統的真空度為3.0～5.5×10-3pa。

下面將通過具體的實施例來介紹製備工藝。

實施例一

(a)採用fcva系統，打開鈦電源弧，調節起弧電流為100a，彎管磁場2.0a，直管磁場3.5a，佔空比為90％，順序採用負壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個負壓點沉積30s，在負壓為-300v時，沉積20min；

(b)打開鈦電弧源，調節佔空比為20％，同時打開氣體流量開關通入乙炔氣體，乙炔流量順序採用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個流量點沉積30s，在乙炔流量為80sccm時，沉積15min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開鈦電弧源，調節佔空比為90％，關閉氣體流量開關，沉積3min，得到ti膜層；

(d)重複步驟(b)和(c)，最後一層膜為(b)沉積得到具有重複2次(b)和(c)膜層的鈦摻雜類金剛石膜。

圖1a為本實施例鋁合金活塞鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的實物圖。圖1b為本實施例鈦摻雜類金剛石多層隔熱厚膜的膜層結構示意圖。圖1c和1d為本實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。由對比圖1b、1c和1d可知，通過fcva法獲得鈦摻雜類金剛石厚膜與預期設計結構相同，滿足設計要求，說明製備工藝是可靠的。通過臺階儀測得本實施例鈦摻雜類金剛石膜厚為19.226μm。

圖1e為本實施例鈦摻雜類金剛石厚膜的拉曼光譜試驗圖。圖1d表明raman光譜在1000cm-1～1800cm-1之間有兩個展寬散射峰，通過gaussian擬合法將其擬合分為兩個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構。圖1f為本實施例鈦摻雜類金剛石厚膜的洛氏壓痕試驗圖，膜-基結合強度達到了定義的hf4，膜-基結合力良好。圖1g為本實施例鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損試驗圖，其平均摩擦係數為0.1959。

對本實施例鋁合金活塞鈦摻雜類金剛石膜採用活塞熱負荷實驗臺進行了熱衝擊試驗後，未出現膜層脫落現象。為進一步說明本實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照組，對比兩種活塞在加熱100℃～250℃同一溫度段下所需要的時間，取20個熱衝擊循環進行試驗測試。圖1g為兩種活塞隔熱性能對比圖，其中a為本實施例鋁合金活塞隔熱性能試驗圖，b為磷化處理鋁合金活塞隔熱性能試驗圖。圖1h表明本實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，經過20次循環測試，前者需要的時間比後者多了32s，說明本實施例製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。

實施例二

(a)採用fcva系統，打開鈦電源弧，調節起弧電流100a，彎管磁場2.0a，直管磁場3.5a，佔空比為90％，順序採用負壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個負壓點沉積30s，在負壓為-300v時，沉積20min；

(b)打開鈦電弧源，調節佔空比為20％，同時打開氣體流量開關通入乙炔氣體，乙炔流量順序採用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個流量點沉積30s，在乙炔流量為80sccm時，沉積22.5min/16.25min/10min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開鈦電弧源，調節佔空比為90％，關閉氣體流量開關，沉積3min，得到ti膜層；

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

通過調節步驟(b)中tic/dlc膜層沉積時間的不同探究tic/dlc厚度對於鈦摻雜類金剛石厚膜的性能影響，即本實施例步驟(b)中預設乙炔流量為80sccm時沉積分別預設為22.5min、16.25min、10min獲得不同的鈦摻雜類金剛石多層厚膜。臺階儀對該實施例所製得的鈦摻雜類金剛石厚膜進行測試，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分別為本例沉積時間為16.25min、10min時製備獲得厚膜的洛氏壓痕法測試圖，表明膜-基結合強度達到了定義的hf1、hf2，膜-基結合力非常好。圖3a、b為本例沉積時間分別為16.25min、10min製備獲得鈦摻雜類金剛石多層厚膜的摩擦磨損測試示意圖，可知平均摩擦係數分別為0.0675、0.1110。

實施例三

(a)採用fcva系統，打開鈦電源弧，調節起弧電流100a，彎管磁場2.0a，直管磁場3.5a，佔空比為90％，順序採用負壓為-1000v、-800v、-600v、-400v、-300v，在完成預處理的襯底表面沉積ti膜層，其中每個負壓點沉積30s，在負壓為-300v時，沉積10min；

(b)打開鈦電弧源，調節佔空比為20％，同時打開氣體流量開關通入乙炔氣體，乙炔流量順序採用10sccm、20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm沉積，每個流量點沉積30s，在乙炔流量為80sccm時，沉積10min，得到tic/dlc膜層；

(c)打開鈦電弧源，調節佔空比為90％，關閉氣體流量開關，沉積3min，得到ti膜層；

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

臺階儀對本實施例鈦摻雜類金剛石厚膜進行測試，膜厚為9.558μm。

實施例四

基於實施例三，調節步驟(a)ti過渡層的沉積時間來獲得過渡層厚度不同的鈦摻雜類金剛石多層厚膜。本實施例由實施例三步驟(a)在-300v沉積10min改為沉積5min。通過臺階儀對該實施例鈦摻雜類金剛石厚膜進行測試，膜厚為7.469μm。洛氏壓痕法測試表明膜-基結合強度達到了定義的hf2，膜-基結合力非常好，磨損測試可知平均摩擦係數為0.1065。

實施例五

基於實施例三，調節預設乙炔通氣量，即實施例三步驟(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。

通過臺階儀分別對乙炔流量為10sccm、20sccm、40sccm、120sccm、160sccm的鈦摻雜類金剛石厚膜測試，膜厚分別為6.134μm、7.334μm、8.656μm、12.112μm、12.570μm。乙炔流量為10sccm和20sccm時獲得鈦摻雜類金剛石厚膜的洛氏壓痕法測試表明膜-基結合強度分別達到了定義的hf3、hf2，膜-基結合力非常好。乙炔流量分別為10sccm、20sccm、40sccm、120sccm、160sccm時獲得鈦摻雜類金剛石厚膜的摩擦磨損測試可知其平均摩擦係數分別為0.5302、0.7686、0.6854、0.1138、0.1221。

本領域的技術人員應理解，上述實施例僅為對本發明所作的進一步詳細說明，本發明不僅限於上述具體實施方式，在本發明的上述指導下，可以在實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形均屬於本發明的保護範圍。本發明的保護範圍由權利要求及其等同物限定。