[論文レビュー] Effect of Graded Bias Voltage on the Microstructure of arc-PVD CrN Films and its Response in Electrochemical & Mechanical Behavior

M.L. Cedeño-Vente, D.G. Espinosa-Arbeláez+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、アーク-PVD法で堆積したCrN膜の微細構造、腐食抵抗性、機械的特性に与える段階的および一定の負バイアス電圧（-40 V、-80 V、および-40/60/80 V）の影響を調査している。より高いバイアス電圧（-80 V）は膜の密度を向上させ、ナノ硬さと弾性率を増加させるが、低いまたは段階的なバイアスでは欠陥（例えば、空孔、ドロップレット）が生成され、腐食抵抗性を低下させ、はがれを促進する。

ABSTRACT

The effect of graded or constant bias voltages (-40 V, -80 V and -40/60/80 V) on size grain and surface defects of arc PVD deposited CrN films was investigated. Corrosion resistance evaluated using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic curves (Tafel) and the mechanical behavior evaluated by means of instrumented nanoindentation and scratch testing was correlated with the microstructural changes. It was found that the bias voltage variation affects corrosion behavior due to the presence of defects (i.e. open voids, droplets) which also affects the failure mechanisms and increasing spallation. High bias voltage (-80 V) increases nano-hardness and the elastic modulus due to the dense microstructure of the CrN coating.

研究の動機と目的

• 異なるバイアス電圧がアーク-PVD法によるCrN膜の微細構造に与える影響を理解すること。
• 微細構造的欠陥（例えば、空孔、ドロップレット）が電気化学的および機械的性能に与える影響を評価すること。
• 膜の密度および欠陥濃度の変化と腐食抵抗性および機械的破壊メカニズムの相関を明らかにすること。
• CrN被膜の機械的頑丈さと腐食抵抗性をバランスさせる最適なバイアス電圧を特定すること。

提案手法

• 一定および段階的バイアス電圧（-40 V、-80 V、および-40/60/80 V）を用いてアーク物理蒸着（PVD）法でCrN膜を堆積した。
• 結晶粒のサイズおよび欠际密度に感受する技術（例えば、表面形態および欠际分析）を用いて微細構造を特徴づけた。
• 電気化学インピーダンス分光法（EIS）およびポテンシオダイナミック極化（ターフェル）測定により腐食抵抗性を評価した。
• インストゥルメンテッドナノインデンテーションを用いてナノ硬さおよび弾性率を測定し、機械的挙動を評価した。
• スクラッチ試験を実施し、接着性および破壊メカニズム（特にはがれ）を分析した。
• 微細構造的特徴（例えば、空孔、ドロップレット）と電気化学的および機械的応答の相関をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段階的バイアス電圧と一定バイアス電圧の適用が、アーク-PVD法によるCrN膜の結晶粒のサイズおよび欠际密度に与える影響は何か？
• RQ2 微細構造的欠际（例えば、開口空孔、ドロップレット）がCrN被膜の電気化学的挙動および腐食抵抗性に与える影響は何か？
• RQ3 バイアス電圧の上昇がCrN膜のナノ硬さおよび弾性率に与える影響は何か？
• RQ4 欠际がスクラッチ試験中のはがれを促進し、破壊メカニズムをどのように変化させるか？
• RQ5 高バイアス電圧下での微細構造の密着化が、全体的な機械的および電気化学的性能をどの程度向上させるか？

主な発見

• 高いバイアス電圧（-80 V）は膜の密度を顕著に向上させ、機械的特性の向上をもたらした。
• 微細構造の密着化に伴い、より高いバイアス電圧ではナノ硬さおよび弾性率が向上した。
• 低いまたは段階的バイアス下で顕著に見られる、開口空孔やドロップレットなどの欠际は、腐食抵抗性を低下させた。
• 電気化学インピーダンス分光法（EIS）およびターフェル解析により、欠际を含む膜は、電荷移動抵抗が低く、腐食電流密度が高くなることが確認された。
• スクラッチ試験の結果、欠际濃度の高い膜では、界面接着性が弱いため、早期かつ深刻なはがれが観察された。
• 段階的バイアス電圧（-40/60/80 V）は、中程度の欠际レベルを有する微細構造をもたらし、極端な状態と比較して中程度の機械的および電気化学的性能を示した。