本發明涉及表面工程，特別涉及一種用于發動機進排氣門的低應力抗結焦交替層疊薄膜及制備方法。

背景技術：

1、發動機作為內燃機的一種，廣泛應用于工業、交通和發電等領域。在發動機的運行過程中，進排氣門是控制燃氣進出燃燒室的關鍵部件，它們在高溫、高壓和腐蝕性的燃氣環境中工作，承受著極端的熱負荷和機械負荷。特別是在排氣過程中，排氣門直接暴露于高溫廢氣，溫度可達到600～800℃，而進氣門則相對較低，約300～400℃。這種高溫環境導致材料表面極易出現嚴重的結焦沉積現象，長期積碳不僅會增加氣流阻力，降低發動機性能，還可能導致閥門溫度過高，加速氧化和機械疲勞，嚴重影響發動機的運行效率與使用壽命。

2、近年來，發動機進排氣門因其高溫、高氧化和動態熱機械環境的復雜性，對表面涂層的抗氧化和抗結焦性能提出了更高要求。研究表明，單層涂層由于熱應力和高溫氧化的共同作用，常表現出粘附性下降和涂層剝落的問題。專利cn114959574a指出，craln涂層在高溫條件下易發生分解，生成纖鋅礦aln和立方cr結構，并伴隨氮元素的損失。這種微觀結構變化直接削弱了涂層的硬度和耐磨性，顯著限制了其在發動機進排氣門中的長期應用，為改善單層涂層的不足，雙層涂層技術被提出，專利cn117344274a描述了一種通過電弧離子鍍工藝制備的tin過渡層和altin功能層交替層疊涂層，通過降低界面應力提升涂層的粘附性。然而，在發動機進排氣門的極端動態工況下，雙層涂層仍存在界面應力不匹配的問題，可能導致分層或開裂現象。此外，專利cn109468614a提出了一種基于原子層沉積技術的al2o3/tio2納米交替層疊涂層，底層al2o3用于阻擋碳滲透，表層tio2減少積碳催化作用。雖然該雙層涂層在抗氧化和抗結焦方面表現出改善，但在復雜動態熱機械環境下，其界面穩定性仍有待進一步優化。

3、上述方法制備的涂層目前尚未能完全解決發動機進排氣門在高溫工作環境下易發生結焦的問題。

技術實現思路

1、為克服現有高溫工作環境下發動機進排氣門易發生結焦的問題，本發明的目的在于提供一種用于發動機進排氣門的低應力抗結焦交替層疊薄膜及制備方法，該方法制備采用鉻氮化物(crn)、鉻鋁氮化物(craln)和二氧化鈦(tio2)的多層交替結構，通過多層次的應力平衡設計，充分利用crn和craln層的壓應力特性和tio2層的拉應力特性，實現了薄膜在高溫環境中的內應力平衡。這種低應力設計可有效減少薄膜在高溫氧化和機械負荷作用下的剝落風險，同時顯著提升薄膜的抗結焦性能，從而為發動機進排氣門的長期防護提供了高效解決方案。

2、為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：

3、一種用于發動機進排氣門的低應力抗結焦交替層疊薄膜，包括從下到上依次設置在基底上的crn薄膜、craln薄膜、tio2薄膜、crn薄膜、craln薄膜與tio2薄膜。

4、進一步的，crn薄膜的厚度均為0.2～0.5μm；

5、craln薄膜的厚度均為2～4μm；

6、tio2薄膜的厚度均為50～150nm。

7、進一步的，所述低應力抗結焦交替層疊薄膜的總厚度為5～9μm。

8、一種用于發動機進排氣門的低應力抗結焦交替層疊薄膜的制備方法，包括以下步驟：

9、在基底表面首先沉積crn薄膜，在crn薄膜上沉積craln薄膜，在craln薄膜上制備tio2薄膜；

10、在tio2薄膜上沉積crn薄膜，在crn薄膜上沉積craln薄膜，在craln薄膜上制備tio2薄膜，得到用于發動機進排氣門的低應力抗結焦交替層疊薄膜。

11、進一步的，crn薄膜的厚度均為0.2～0.5μm；

12、craln薄膜的厚度均為2～4μm；

13、tio2薄膜的厚度均為50～150nm；

14、所述低應力抗結焦交替層疊薄膜的總厚度為5～9μm。

15、進一步的，crn薄膜的制備的工藝為：采用cr靶，多弧離子鍍工藝參數為：cral靶弧電流為70～100a，沉積偏壓為100～300v；腔內氣壓為1～5pa，氮氣流量為1300～1500sccm，沉積溫度約為350℃。

16、進一步的，cral靶采用cr的原子百分比為60％～75％的合金靶。

17、進一步的，craln薄膜的制備的工藝為：采用cral靶，多弧離子鍍工藝參數為：弧電流為70～100a，偏壓為50～80v，腔內氣壓為1～5pa，氮氣流量為1300～1500sccm，沉積溫度約為350℃。

18、進一步的，tio2薄膜的制備的工藝為：采用異丙醇鈦為鈦源前驅體、雙氧水為氧源，原子層沉積過程的單次循環中采用氮氣為吹掃氣體，鈦源前驅體注入、氮氣吹掃、氧源注入、氮氣吹掃的時間依次為1～2s、25～35s、0.1～0.3s、20～35s；原子層沉積過程的總循環次數為2000次。

19、進一步的，鈦源前驅體溫度為70～90℃，鍍膜區溫度為200～250℃，本底真空低于50mtorr，氮氣吹掃工作氣壓為100～200mtorr。

20、與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

21、本發明中的低應力抗結焦交替層疊薄膜，針對發動機進排氣門設計，通過合理設計薄膜的交替層疊結構，crn、craln和tio2層交替設置，有效調控了薄膜內應力的分布，顯著降低了薄膜的內應力水平。在該交替層疊薄膜結構中，craln層通常在沉積過程中由于其較高的硬度和較強的耐高溫性，產生壓應力。這種壓應力有助于提高薄膜的硬度和耐磨性，減少在高溫環境下的熱疲勞和磨損，從而增強薄膜的穩定性和耐久性。相較之下，tio2層由于其較為脆性，在沉積過程中通常會產生拉應力。該拉應力在一定程度上有助于改善薄膜的附著力，特別是提高tio2層與craln層之間的結合強度，同時增強了薄膜的抗結焦性能。通過將crn層作為過渡層設置在基底與craln層之間，以及第一層tio2與第二層craln之間，進一步優化了薄膜的應力分布。crn層能夠有效緩解基底與硬質craln層之間由于熱膨脹系數差異產生的應力集中，同時也調節了tio2層的拉應力，從而實現了應力的均衡分布。這種合理的應力配比不僅避免了薄膜在高溫環境下發生脆裂或剝落，還提升了薄膜的整體抗疲勞性能，延長了使用壽命。在高溫、有氧的工作環境下，craln層的高硬度和耐高溫性能有效保護進排氣門免受高溫燃燒過程中的磨損和氧化侵蝕。tio2層則發揮其優異的抗結焦功能，顯著減少碳積累，保持氣門表面的清潔，從而保證氣流暢通，提升發動機燃燒效率和動力輸出。交替層疊薄膜的低應力設計優化了薄膜與基底的結合力，降低了剝離和磨損的風險，減少了薄膜的維護和更換頻率。本發明的低應力抗結焦交替層疊薄膜不僅提高了進排氣門在高溫條件下的抗結焦能力，而且通過合理的應力設計，顯著延長了薄膜的使用壽命，優化了發動機的整體性能與排放控制，有助于柴油發動機滿足日益嚴格的環保排放標準。該薄膜與發動機材料具有良好的兼容性，且不影響進排氣門的機械性能和結構完整性，確保發動機在高溫、高壓下的穩定運行，具有廣泛的應用前景和顯著的經濟效益。

22、本發明的方法結合多弧離子鍍工藝和原子層沉積技術，首先利用多弧離子鍍工藝在進排氣門表面依次沉積crn過渡層和craln硬質層，crn層增強了薄膜與基底的附著力，進一步優化了薄膜的應力分布，craln層則顯著提高薄膜的硬度和耐磨性。采用ald技術在craln層表面均勻沉積tio2納米薄膜，tio2層能有效抑制結焦物質的積聚，并在高溫環境下展現出優異的抗氧化性能。

23、進一步的，tio2層的厚度在50～150nm之間，以確保高溫抗結焦效果和薄膜整體穩定性。

24、進一步的，本發明中，crn和craln層的沉積溫度均控制在350℃，以確保薄膜的致密性和穩定性。