Fe-Cr-Al合金界面強(qiáng)化機(jī)理的第一性原理研究.pdf

1、Fe-Cr-Al合金是唯一能夠長(zhǎng)期在1000℃以上高溫環(huán)境中工作的金屬材料，最高工作溫度可達(dá)到1300℃。這主要取決于高溫下合金表面形成的連續(xù)致密且粘著性良好的氧化鋁膜，能夠有效保護(hù)合金基體。雖然 Fe-Cr-Al合金具有良好的抗氧化性能，但高溫環(huán)境中，在金屬/氧化膜界面處容易發(fā)生界面層脫，繼而引起整個(gè)氧化膜的剝落，導(dǎo)致整個(gè)材料系統(tǒng)失效。因此，研究氧化膜剝落的誘導(dǎo)因素以及如何有效提高氧化膜的粘附性從而增強(qiáng)金屬/氧化膜界面的結(jié)合強(qiáng)度，是F

2、e-Cr-Al合金研究的關(guān)鍵。
　　本文研究了雜質(zhì)S在界面的偏聚和活性元素（La、Ce、Y、Hf）的摻雜對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。所有計(jì)算工作均利用MS6.0軟件的CASTEP模塊完成，此模塊是基于密度泛函理論框架下的第一性原理平面波贗勢(shì)方法。
　　經(jīng)過計(jì)算界面結(jié)合能可知，純凈界面的界面結(jié)合能為-10.01787eV，S在界面偏析后界面結(jié)合能為-5.04387eV，這說明S的界面偏析降低了界面的穩(wěn)定性。再通過比較 S在界面不同位

3、置的界面偏析能，就可以確定雜質(zhì) S的偏析路徑。從態(tài)密度圖和鍵的布居值來看，雜質(zhì)S的界面偏析引起Fe與O態(tài)密度峰的重疊度急劇下降，S-O的單位鍵長(zhǎng)的布居值較之Fe-O發(fā)生不同程度的減小，嚴(yán)重削弱了界面處的成鍵作用，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度下降。
　　摻雜活性元素（La、Ce、Y、Hf)后，計(jì)算可知，活性元素（RE）的界面偏析能小于S的，即RE的界面偏析能力大于S。分析態(tài)密度和鍵的布居值（P）發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-O的P值均增大，La-O和Ce-O的P

4、值降低，Y-O和Hf-O的P值增大，這說明Y和Hf能增強(qiáng)界面處原子間的相互作用，但無(wú)法得出La和Ce也提高界面結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)論。在Fe基體中，La-S和Ce-S的P值為負(fù)值，Y-S和Hf-S的P值非常大，這表明La-S和Ce-S成反鍵狀態(tài)，Y-S和Hf-S之間則形成相互作用很強(qiáng)的共價(jià)鍵。Y和Hf在基體內(nèi)能有效釘扎S，阻礙了S向界面偏析。
　　因此，作為合金化元素添加的活性元素，其界面強(qiáng)化機(jī)理主要包括兩方面：（1）直接參與Fe/Al2