由于环境法规日益严格，轻量化机械系统得到了广泛的发展，以实现高能源效率[1]、[2]、[3]、[4]。特别是，像不锈钢和中碳钢这样的延性金属由于其低密度、良好的成型性和比传统材料更优越的化学稳定性，被广泛用于关键机械部件中[4]、[5]。
尽管具有这些优势，延性金属的伸长率通常超过30%，但其强度相对较低，容易在外加载下发生塑性变形。这种变形可能导致尺寸不稳定，从而在驱动部件中产生旋转偏心、振动和噪音。为了解决这些问题，已经探索了多种方法，包括通过加工硬化或热处理来提高材料强度和耐磨性，以及通过表面改性技术来改善表面性能。
在表面改性技术中，涂层可以在机械系统所需的严格尺寸公差内沉积，并通过提高摩擦性能[6]、耐腐蚀性[7]和耐磨性[8]来显著延长部件寿命。因此，大量研究集中在硬质涂层上，以增强机械部件的耐用性[6]、[7]。在这些涂层中，四面体非晶碳（ta-C）因其高硬度、低摩擦系数和优异的固体润滑性能而受到了广泛关注[8]。
然而，延性金属与ta-C涂层之间的机械性能差异较大，通常会导致在外加载下产生严重的界面应力，从而在涂层-基底界面处发生分层和裂纹[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
为了解决这些问题，在ta-C涂层和基底之间引入了与碳具有强化学亲和力的金属中间层，如钛和铬，以增强界面附着力并缓解残余应力。
在Ti中间层沉积过程中，基底偏压会显著影响离子轰击能量，进而影响薄膜的微观结构、残余应力和机械性能；这些因素直接影响ta-C涂层在延性基底上的附着力和裂纹抑制行为[15]、[16]、[17]。此外，Ti中间层的厚度控制着界面的应力缓冲行为，厚度不足或过厚都可能导致由于应力适应不良或刚度不匹配而降低附着力[18]、[19]。
在常用的中间层材料中，钛对于基于铁的合金（如304不锈钢）具有独特的优势。第一性原理计算表明，钛形成了热力学稳定的Ti-C和Ti-Fe键合结构，与基于铬的界面相比，具有更强的界面附着力。由于这种结合的化学亲和力，钛作为有效的应变缓冲中间层，更适合用于提高延性不锈钢的界面稳定性[20]。
中间层被广泛用于改善涂层系统的附着力、抗裂性和界面韧性。控制界面断裂行为的最有效和直接的方法之一是调整中间层厚度，这可以缓解ta-C涂层/中间层/基底系统内的残余应力差异引起的弹性不匹配[21]。
此外，扩展腔模型表明，在外加载下抑制塑性区的形成可以增强界面抗裂性，突出了中间层介导的应力适应的重要性[19]。
另一种减少ta-C涂层与底层金属基底之间应变差异的方法是通过修改金属中间层的微观结构来调整其承载性能，例如在溅射沉积过程中通过结构区模型进行调整。然而，大多数关于中间层的研究仅限于ta-C涂层与高强度材料的组合，对于特定材料的适用中间层条件提供的信息有限。尽管最近的研究报道了用作粘合层的金属涂层的机械性能以及结构变化对界面附着力和耐用性的影响[22]，但这些研究使用的是高硬度材料（如碳化钨），并且仅关注单一中间层厚度内的耐用性和附着力，因此难以将其应用于延性金属。
因此，本研究调查了作为ta-C涂层与304不锈钢（304 SS）（一种代表性的延性金属）之间粘合层的钛中间层的效果。为了隔离中间层的影响，保持ta-C涂层的性能不变，同时改变中间层的两个关键参数。
首先，研究了最佳中间层厚度范围，以减少ta-C涂层与延性金属基底之间的塑性应变不匹配。
其次，修改了钛中间层的机械性能和微观结构，以在外加载下最小化基底变形，同时保持足够的界面附着力。
制备了ta-C厚度为1μm的ta-C涂层/Ti中间层/304 SS复合材料，中间层厚度和微观结构各不相同。通过摩擦学和拉伸测试系统评估了钛中间层对附着力、耐磨性、塑性变形和裂纹控制的影响。
