Fe-Cr-Al合金界面強化機理的第一性原理研究.pdf

1、Fe-Cr-Al合金是唯一能夠長期在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，繼而引起整個氧化膜的剝落，導致整個材料系統(tǒng)失效。因此，研究氧化膜剝落的誘導因素以及如何有效提高氧化膜的粘附性從而增強金屬/氧化膜界面的結(jié)合強度，是F

2、e-Cr-Al合金研究的關鍵。
　　本文研究了雜質(zhì)S在界面的偏聚和活性元素（La、Ce、Y、Hf）的摻雜對界面結(jié)合強度的影響。所有計算工作均利用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方法。
　　經(jīng)過計算界面結(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的單位鍵長的布居值較之Fe-O發(fā)生不同程度的減小，嚴重削弱了界面處的成鍵作用，導致界面結(jié)合強度下降。
　　摻雜活性元素（La、Ce、Y、Hf)后，計算可知，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能增強界面處原子間的相互作用，但無法得出La和Ce也提高界面結(jié)合強度的結(jié)論。在Fe基體中，La-S和Ce-S的P值為負值，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的共價鍵。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，其界面強化機理主要包括兩方面：（1）直接參與Fe/Al2