安工大《Acta Materialia》揭示稀土表面改性的作用機制

稀土在如滲碳、滲氮、噴塗等表面處理技術中有著廣泛的應用。稀土輔助滲氮被證明有助於促進擴滲速率，提高滲層厚度，改善滲層性能。然而，相應的機制尚不清晰。近年來，第一性原理計算被廣泛用來研究微觀尺度的原子相互作用，從而揭示實驗現象深層次下的一些微觀機制。

安徽工業大學現代表界面工程研究中心張世宏教授團隊的一項最新研究中，通過第一性原理研究稀土元素對氮原子在體心立方鐵表面吸附和擴散的影響，揭示了稀土滲氮的催滲機制。相關論文以題為「First-principles analysis on the role of rare-earth doping in affecting nitrogen adsorption and diffusion at Fe surface towards clarified catalytic diffusion mechanism innitriding」發表在金屬材料領域國際頂刊Acta Materialia。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420304523

在文中，首先計算了體心立方鐵的體結構和表面結構性能，計算了氮的吸附性能，與其它文獻計算或實驗的結果吻合，證明了本計算方法的可靠性。接著建模模擬了稀土元素在體心立方鐵中的佔位，計算了稀土元素摻雜的體心立方鐵表面氮原子的吸附情況。稀土元素摻雜對氮原子的優先佔位和吸附能均產生了影響，其中La摻雜提高了體心立方鐵表面對氮原子的吸附能力，這與實驗觀察到稀土滲氮表面較高的氮含量結果吻合。通過bader電荷和馳豫後的結構變化發現了較強的La-N作用，解釋了La元素摻雜後氮原子吸附能的提高。

稀土元素摻雜體心立方鐵表面吸附氮原子

稀土元素摻雜體心立方鐵表面氮原子的吸附能

進一步地，文章對氮原子在體心立方鐵次表面的吸附進行了計算，氮原子傾向於佔據八面體間隙，而稀土元素摻雜有助於氮原子在八面體間隙的吸附。考慮到氮原子從表面擴散至次表面的過程是滲氮的決速步，利用CI-NEB計算方法對該過程進行計算，研究發現稀土元素摻雜對擴散能壘的降低有幫助。總結了稀土La和Ce的催滲機制：La能夠改善氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，並略微降低了氮原子在體心立方鐵表面擴散至次表面的能壘；Ce略微削弱了氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，但是大幅度地降低了氮原子在體心立方鐵表面擴散至次表面的能壘。

這項研究將有助於深入了解稀土在表面處理技術中發揮的作用，為稀土表面處理技術的優化提供理論支撐，也為第一性原理揭示表面處理的微觀機制提供了一個範例。

稀土元素摻雜體心立方鐵次表面吸附氮原子

稀土元素摻雜體心立方鐵表面氮原子的擴散

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。