[论文解读] Effect of Graded Bias Voltage on the Microstructure of arc-PVD CrN Films and its Response in Electrochemical & Mechanical Behavior
本研究探讨了分级和恒定负偏压电压（-40 V、-80 V 及 -40/60/80 V）对电弧-PVD 沉积 CrN 薄膜微观结构、耐腐蚀性及力学性能的影响。较高的偏压电压（-80 V）可提高薄膜致密性，从而增强纳米硬度和弹性模量；而较低或分级偏压下形成的缺陷（如孔洞、液滴）则会降低耐腐蚀性并促进剥落。
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.
研究动机与目标
- 了解不同偏压电压对电弧-PVD CrN 薄膜微观结构的影响。
- 评估微观缺陷（如孔洞、液滴）对电化学与力学性能的影响。
- 将薄膜致密性与缺陷浓度的变化与耐腐蚀性及力学失效机制相关联。
- 确定在 CrN 涂层中实现力学强度与耐腐蚀性平衡的最优偏压电压。
提出的方法
- 在恒定和分级偏压电压（-40 V、-80 V 及 -40/60/80 V）下，采用电弧物理气相沉积（PVD）技术沉积 CrN 薄膜。
- 利用对晶粒尺寸和缺陷密度敏感的表征技术（如表面形貌与缺陷分析）表征微观结构。
- 通过电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（Tafel）测量评估耐腐蚀性。
- 采用仪器化纳米压痕技术测量纳米硬度和弹性模量，评估力学性能。
- 进行划痕测试以分析附着力与失效机制，特别是剥落行为。
- 将微观结构特征（如孔洞、液滴）与电化学及力学响应相关联。
实验结果
研究问题
- RQ1分级偏压与恒定偏压的施加如何影响电弧-PVD CrN 薄膜的晶粒尺寸与缺陷密度？
- RQ2微观缺陷（如开放孔洞、液滴）对 CrN 涂层电化学行为与耐腐蚀性有何影响？
- RQ3提高偏压电压如何影响 CrN 薄膜的纳米硬度与弹性模量？
- RQ4缺陷在促进划痕测试中剥落及改变失效机制方面起什么作用？
- RQ5在高偏压电压下，微观结构致密化在多大程度上提升了整体力学与电化学性能？
主要发现
- 高偏压电压（-80 V）显著提高了薄膜致密性，从而改善了力学性能。
- 由于微观结构致密化，CrN 薄膜的纳米硬度与弹性模量随偏压电压升高而提高。
- 缺陷（如开放孔洞、液滴）在较低或分级偏压下更常见，导致耐腐蚀性下降。
- 电化学阻抗谱（EIS）与 Tafel 分析证实，缺陷丰富的薄膜表现出更低的电荷转移电阻与更高的腐蚀电流密度。
- 划痕测试表明，缺陷浓度较高的薄膜因界面结合力减弱，导致更早且更严重的剥落。
- 分级偏压电压（-40/60/80 V）导致具有中等缺陷水平的微观结构，其力学与电化学性能介于极端情况之间，表现中等。
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