Tác động của các yếu tố hợp kim đến sự oxy hóa và ăn mòn hoà tan bề mặt của γ-Fe(111): một nghiên cứu DFT

Journal of Molecular Modeling - Tập 21 - Trang 1-9 - 2015
Cheng Han1,2, Caili Zhang1,2, Xinglong Liu1,2, Hui Huang1,2, Shengyi Zhuang1,2, Peide Han2, Xiaolei Wu3
1College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, People’s Republic of China
2Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials of Taiyuan University of Technology, Ministry of Education, Taiyuan, China
3State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Tóm tắt

Tác động của các yếu tố hợp kim trong các loại thép phổ biến đến quá trình oxy hóa và ăn mòn hòa tan bề mặt của γ-Fe(111) đã được nghiên cứu bằng cách thực hiện các tính toán lý thuyết chức năng mật độ trong khuôn khổ xấp xỉ mật độ địa phương. Đầu tiên, quá trình phân tách của các nguyên tử hợp kim cũng như các vị trí hấp phụ ưu tiên cho oxy và nước đã được xem xét cẩn thận, và nhận thấy rằng tất cả các yếu tố hợp kim được xem xét đều có xu hướng phân tách về bề mặt, đồng thời các vị trí hấp phụ ưa thích nhất là vị trí đóng gói theo lớp hexagonal (hcp) và vị trí đỉnh cho oxy và nước, tương ứng. Năng lượng hấp phụ mà đặc trưng cho xu hướng của oxy hoặc nước bị hấp phụ trên bề mặt hợp kim cho thấy rằng tất cả mười yếu tố hợp kim (đặc biệt là Cr, Si và Cu) đều có khả năng ức chế sự hấp phụ của oxy, và rằng tất cả các yếu tố hợp kim ngoại trừ Nb, Mo và Ti đều ức chế sự hấp phụ nước. Tiềm năng điện cực, chỉ ra sự ổn định điện hóa của bề mặt hợp kim, đã gợi ý rằng tất cả các yếu tố hợp kim này (đặc biệt là Cr, Mo và Si) đều có thể ngăn chặn sự hấp phụ của oxy và nước trên các bề mặt được nghiên cứu, ngoại trừ Nb và Ti trong trường hợp hấp phụ nước. Phân tích mật độ trạng thái cho thấy rằng tất cả mười yếu tố hợp kim (đặc biệt là Cr, Si, Mo và Cu) đã tăng cường khả năng chống ăn mòn của nền fcc Fe, ngoại trừ Nb và Ti liên quan đến ăn mòn hòa tan.

Từ khóa

#hợp kim #oxy hóa #ăn mòn hoà tan #γ-Fe(111) #lý thuyết chức năng mật độ

Tài liệu tham khảo

Ilinčev G, Kárník D, Paulovič M, Doubková A (2006) The effect of temperature and oxygen content on the flowing liquid metal corrosion of structural steels in the Pb–Bi eutectic. Nucl Eng Des 236(18):1909–1921. doi:10.1016/j.nucengdes.2006.02.003 Martinelli L, Balbaud-Célérier F, Terlain A, Delpech S, Santarini G, Favergeon J, Moulin G, Tabarant M, Picard G (2008) Oxidation mechanism of a Fe–9Cr–1Mo steel by liquid Pb–Bi eutectic alloy (part I). Corros Sci 50(9):2523–2536. doi:10.1016/j.corsci.2008.06.050 Zhang J, Li N (2005) Oxidation mechanism of steels in liquid–lead alloys. Oxid Met 63(5-6):353–381. doi:10.1007/s11085-005-4392-3 German E, Efremenko I (2004) Calculation of the activation energies of dissociative oxygen adsorption on the surfaces of rhodium (111), silver (111) and (110), and gold (111). J Mol Struct 711:159–165 Yang TT, Bi HT, Cheng XX (2011) Effects of O2, CO2 and H2O on NO x adsorption and selective catalytic reduction over Fe/ZSM-5. Appl Catal B Environ 102(1-2):163–171. doi:10.1016/j.apcatb.2010.11.038 Demetriou A, Pashalidis I (2012) Spectophotometric studies on the competitive adsorption of boric acid (B(III)) and chromate (Cr(VI)) onto iron (oxy)hydroxide (Fe(O)OH). Global Nest J 14(1):32–39 Bryliakov KP, Talsi EP (2014) Active sites and mechanisms of bioinspired oxidation with H2O2, catalyzed by non-heme Fe and related Mn complexes. Coord Chem Rev 276:73–96. doi:10.1016/j.ccr.2014.06.009 Idczak R, Idczak K, Konieczny R (2014) Oxidation and surface segregation of chromium in Fe-Cr alloys studied by Mossbauer and X-ray photoelectron spectroscopy. J Nucl Mater 452(1-3):141–146. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.05.003 Chen S, Giorgi ML, Guillot JB, Geneste G (2012) Oxidation and diffusion processes at the Mn-doped Fe(001) and Fe(110) surfaces from first-principles. Appl Surf Sci 258(22):8613–8618. doi:10.1016/j.apsusc.2012.05.060 Jiang D, Carter E (2004) Diffusion of interstitial hydrogen into and through bcc Fe from first principles. Phys Rev B 70:064102. doi:10.1103/PhysRevB.70.064102 Jiang D, Carter E (2005) Carbon atom adsorption on and diffusion into Fe(110) and Fe(100) from first principles. Phys Rev B 71:045402. doi:10.1103/PhysRevB.71.045402 Nunomura N, Sunada S (2013) First-principles simulations of the initial corrosion process of iron surface. In: Marquis F (ed) PRICM: 8 Pacific Rim International Congress on Advanced Materials and Processing. Wiley, Hoboken Zhao W, Wang JD, Liu FB, Chen DR (2009) Equilibrium geometric structure and electronic properties of Cl and H2O co-adsorption on Fe(100) surface. Chin Sci Bull 54(8):1295–1301. doi:10.1007/s11434-009-0199-y Jussila P, Ali-Löytty H, Lahtonen K, Hirsimäki M, Valden M (2009) Inhibition of initial surface oxidation by strongly bound hydroxyl species and Cr segregation: H2O and O2 adsorption on Fe–17Cr. Surf Sci 603(19):3005–3010. doi:10.1016/j.susc.2009.08.006 Błoński P, Kiejna A, Hafner J (2005) Theoretical study of oxygen adsorption at the Fe(110) and (100) surfaces. Surf Sci 590(1):88–100. doi:10.1016/j.susc.2005.06.011 Freitas RRQ, Rivelino R, de Brito Mota F, de Castilho CMC (2012) Dissociative adsorption and aggregation of water on the Fe(100) surface: a DFT study. J Phys Chem C 116(38):20306–20314. doi:10.1021/jp303684y Xu YC, Song C, Zhang YG, Liu CS, Pan BC, Wang ZG (2014) An energetic evaluation of dissolution corrosion capabilities of liquid metals on iron surface. Phys Chem Chem Phys 16(31):16837–16845. doi:10.1039/C4cp01224k Blau PJ, Brummett TM, Pint BA (2009) Effects of prior surface damage on high-temperature oxidation of Fe-, Ni-, and Co-based alloys. Wear 267(1-4):380–386. doi:10.1016/j.wear.2008.12.082 Nunomura N, Sunada S (2012) First-principles study of H2O adsorption on oxygen-covered Fe surface. Mater Sci Forum 706–709:1481–1484. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.706-709.1481 Tan X, Zhou J, Peng Y (2012) First-principles study of oxygen adsorption on Fe(110) surface. Appl Surf Sci 258(22):8484–8491. doi:10.1016/j.apsusc.2012.04.162 Yuan X-S, Song C, Kong X-S, Xu Y-C, Fang QF, Liu CS (2013) Segregation of alloying atoms on the Fe(100) surface and their effects on oxygen adsorption. Phys B Condens Matter 425:42–47. doi:10.1016/j.physb.2013.05.028 Zhao W, Wang JD, Lu FB, Chen DR (2009) First principles study of H2O molecule adsorption on Fe(100), Fe(110) and Fe(111) surfaces. Acta Phys Sin Chin Ed 58(5):3352–3358 Yu J, Lin X, Wang J, Chen J, Huang W (2009) First-principles study of the relaxation and energy of bcc-Fe, fcc-Fe and AISI-304 stainless steel surfaces. Appl Surf Sci 255(22):9032–9039. doi:10.1016/j.apsusc.2009.06.087 Lee S-J, Lee Y-K, Soon A (2012) The austenite/ε martensite interface: a first-principles investigation of the fcc Fe(111)/hcp Fe(0001) system. Appl Surf Sci 258(24):9977–9981. doi:10.1016/j.apsusc.2012.06.059 Paduani C (2005) First principles calculations of the local moments for 4d impurities in bcc and fcc iron. Mater Sci Eng B 121(1–2):9–11. doi:10.1016/j.mseb.2004.12.001 Kohn W, Sham LJ (1965) Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys Rev 140(4A):A1133–A1138 Hohenberg P, Kohn W (1964) Inhomogeneous electron gas. Phys Rev 136(3B):B864–B871 Clark SJ, Segall MD, Pickard CJ, Hasnip PJ, Probert MIJ, Refson K, Payne MC (2005) First principles methods using CASTEP. Z Krist 220(5/6/2005):567–570. doi:10.1524/zkri.220.5.567.65075 Perdew JP, Zunger A (1981) Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems. Phys Rev B 23(10):5048–5079 Ceperley DM, Alder BJ (1980) Ground state of the electron gas by a stochastic method. Phys Rev Lett 45(7):566–569 Monkhorst HJ, Pack JD (1976) Special points for Brillouin-zone integrations. Phys Rev B 13(12):5188–5192 Jiang D, Carter E (2003) Carbon dissolution and diffusion in ferrite and austenite from first principles. Phys Rev B 67:214103. doi:10.1103/PhysRevB.67.214103 Basinski ZS, Hume-Rothery W, Sutton AL (1955) The lattice expansion of iron. Proc R Soc Lond A Math Phys Sci 229(1179):459–467. doi:10.1098/rspa.1955.0102 Häglund J, Fernández Guillermet A, Grimvall G, Körling M (1993) Theory of bonding in transition-metal carbides and nitrides. Phys Rev B 48(16):11685–11691 Zhong W, Overney G, Tománek D (1993) Structural properties of Fe crystals. Phys Rev B 47(1):95–99. doi:10.1103/PhysRevB.47.95 Moruzzi VL, Marcus PM, Schwarz K, Mohn P (1986) Ferromagnetic phases of bcc and fcc Fe, Co, and Ni. Phys Rev B 34(3):1784–1791. doi:10.1103/PhysRevB.34.1784 Macdonald F, Lide DR (2003) CRC handbook of chemistry and physics: from paper to web. Abstr Pap Am Chem Soc 225:U552 Lü B-L, Chen G-Q, Zhou W-L, Su H, Liu R (2011) Ab initio study of influence of 3d alloying elements on corrosion properties of non-passivated nickel-base alloys. J Nucl Mater 418:286–291. doi:10.1016/j.jnucmat.2011.07.015 Kiejna A, Wachowicz E (2008) Segregation of Cr impurities at bcc iron surfaces: first-principles calculations. Phys Rev B 78:113403. doi:10.1103/PhysRevB.78.113403 Gupta M, Gupta RP (2013) Anomalous surface segregation behaviour of some 3d elements in ferromagnetic iron. J Phys Condens Matter 25:415502. doi:10.1088/0953-8984/25/41/415502 Levesque M (2013) Anomalous surface segregation profiles in ferritic Fe-Cr stainless steel. Phys Rev B 87:075409. doi:10.1103/Physrevb.87.075409 Levesque M, Gupta M, Gupta RP (2012) Electronic origin of the anomalous segregation behavior of Cr in Fe-rich Fe-Cr alloys. Phys Rev B 85:064111. doi:10.1103/Physrevb.85.064111 Ponomareva AV, Isaev EI, Skorodumova NV, Vekilov YK, Abrikosov IA (2007) Surface segregation energy in bcc Fe-rich Fe-Cr alloys. Phys Rev B 75:245406. doi:10.1103/PhysRevB.75.245406 Greeley J, Nørskov JK (2007) Electrochemical dissolution of surface alloys in acids: thermodynamic trends from first-principles calculations. Electrochim Acta 52(19):5829–5836. doi:10.1016/j.electacta.2007.02.082 Ma YG, Balbuena PB (2008) Surface properties and dissolution trends of Pt3M alloys in the presence of adsorbates. J Phys Chem C 112(37):14520–14528. doi:10.1021/Jp8046888