合金元素對α-Cr2O3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子特性影響的第一性原理研究.pdf

1、耐熱鋼中的合金元素主要有Fe、Cr、Ni、Al、Si、Mo、Mn、Nb、Ti、V等，鐵素體形成元素Cr在耐熱鋼中，主要通過表面形成的氧化物Cr2O3為主的保護(hù)膜（被稱為鈍化膜），來保護(hù)鋼基體不被進(jìn)一步氧化腐蝕。眾多學(xué)者通過各種實(shí)驗(yàn)手段對耐熱鋼表面氧化膜成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特點(diǎn)以及制備進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)耐熱鋼表面鈍化膜是一層含Cr的復(fù)合型的氧化物成分，并且呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性的特點(diǎn)?；贑r2O3的特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用范圍，在一些理論研究中，也對C

2、r2O3的結(jié)構(gòu)和缺陷等方面進(jìn)行了深入的研究。但是，在對復(fù)合鉻氧化物的研究上，已有的一些研究，主要集中在單一合金化原子固溶到α-Cr2O3中，對體系的磁性、奈耳溫度、能帶理論等功能性特性方面的研究。而圍繞α-Cr2O3作為耐熱鋼表面氧化膜抗氧化或者耐蝕性方面的理論研究卻非常少。由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，耐熱鋼的種類很多，同時為滿足耐熱鋼不同的使用性能，需要向鋼基體中填加各種不同含量的合金元素，如：Fe，Mo，Nb，Ni，Mn，Al和Si，然而

3、這些合金化元素在原子層次所起作用和影響機(jī)制尚不完全清楚，基于此本課題針對耐熱鋼中各類合金化元素固溶于α-Cr2O3所形成復(fù)合氧化物為對象開展研究。具體研究復(fù)合氧化物形成能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，元素含量與α-Cr2O3復(fù)合化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電子特性的關(guān)聯(lián)性，同時探討合金化元素與α-Cr2O3復(fù)合化合物的電子特性。
　　本文通過第一性原理的方法，研究了七種常見的合金元素(Fe、Mo、Nb、Ni、Mn、Al、Si)對α-Cr2O3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和

4、電子特性的影響，并在此項(xiàng)研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了合金元素Mo、Al的含量對α-Cr2O3中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子特性的影響。研究結(jié)果表明 Mo、Nb、Mn、Al固溶于α-Cr2O3中，形成的復(fù)合氧化物具有比α-Cr2O3更高的穩(wěn)定性。在200-1000K范圍內(nèi)，隨溫度的增加，F(xiàn)e、Mo、Nb、Ni、Mn、Al、Si形成的復(fù)合氧化物的吉布斯自由能均低于α-Cr2O3，即這七種復(fù)合氧化物在高溫時的穩(wěn)定性高于α-Cr2O3，尤其是Ni和Si

5、形成的復(fù)合物，高溫時更為穩(wěn)定。在含量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，Mo、Al含量分別為0.25，0.5，1時，含量為0.5的α-Cr1.5Mo0.5O3和α-Cr1.5Al0.5O3最易形成，且穩(wěn)定性最佳。吉布斯自由能上分析來看，在200-1000K范圍內(nèi)，盡管含量為0.5的α-Cr1.5Mo0.5O3和α-Cr1.5Al0.5O3在0K時最為穩(wěn)定，但隨溫度的增加至1000K時，α-Cr1.75Mo0.25O3和α-Cr1.75Mo0.25O3更為