Fe2Cr2Al合金氧化膜形成机理电子理论研究3.PDF

第 58 卷 第 9 期 2009 年 9 月 物 　理 　学 　报 Vol . 58 ,No . 9 ,September ,2009 ( ) 10003290200958 09 644105 ACTA PHYSICA SINICA 2009 Chin . Phys. Soc . FeCrAl 合金氧化膜形成机理电子理论研究 张国英 　张 　辉 　方戈亮 　罗志成 (沈阳师范大学物理科学与技术学院 ,沈阳　110034) (2008 年 11 月 7 日收到 ;2008 年 11 月 14 日收到修改稿) 　　通过自编软件建立了 FeCrAl 合金表面 、氧化膜基体界面模型 ,采用递归法计算了合金元素在 FeCrAl 合金 表面 、氧化膜基体界面的环境敏感镶嵌能、亲和能、结合能、态密度等电子结构参数. 从电子层次系统研究了 FeCr Al 合金氧化膜的形成机理 、稀土元素和杂质硫对氧化膜形成过程及黏附性的影响机理. 研究表明 FeCrAl 合金中 Al 的偏聚驱动力远大于 Y ,Cr . 氧化初期氧从合金表面向合金内部扩散 ,合金内部 Al 向合金表面扩散 ,使合金形成 ( ) 富铝 、氧表面层 ;氧与 Al 间的亲和力较大 亲和能低 ,氧原子容易与 Al 结合生成 Al O 保护膜 ;合金中加入 Y 后 , Y 2 3 在合金表面偏聚 ,抑制 Al 向合金表面扩散 ,氧化膜的横向生长得到有效控制 ,从而避免氧化膜皱褶形貌的发生 ,提 高氧化膜的黏附性 ;合金内部的 S 通过扩散汇集在基体氧化膜界面 ,S 使界面区原子的总能增高 ,总态密度降低 , 减小了界面的稳定性 ,进而削弱氧化膜与合金基体的结合力. 关键词 : 电子结构 , 高温氧化 , FeCrAl 合金 PACC : 7100 , 6822 , 8160 本文以 FeCr Al 合金系为研究对象 ,从电子层 1 引 言 面系统研究氧化膜的形成机理 ,杂质硫对氧化膜黏 附性的影响 ,稀土元素在改善氧化膜黏附性方面的 FeCrAl 合金由于比电阻大 ,热稳定性好 ,使用 作用 ,从 电子层面揭示 FeCrAl 合金氧化 的物理 寿命长 ,且资源丰富 ,成本低廉 ,故得到了广泛应用. 本质. 高温下合金表面形成稳定 、具有保护性且慢速生长 的氧化膜 ,该氧化膜能保证合金在 1000 ℃以上高温 2 计算模型与方法 环境下正常工作. 然而 ,氧化膜容易起皱 、脱落 ,使其 失去保护作用 ,导致基体腐蚀. 特别是杂质 S 能严重 影响氧化膜的黏附性 ,使合金的应用受到极大限制. 21 计算模型 研究发现合金中加入少量的稀土元素能显著提高合 　　图 1 是 FeCrAl 合金基体与 Al O 氧化膜界面 2 3 金氧化膜的黏附性 ,提高合金