Теория для конструирования коррозионно-стойких сплавов

Время публикации: 2024-02-22

Fe-Cr and Ni-Cr binary alloys contain a sufficient proportion of chromium to act as typical corrosion-resistant metals due to the presence of a nanometre-thick passive oxidation protective film. If this film is damaged by scratches or abrasive wear, it will only have a small amount of metal dissolved. This is the main reason why stainless steel and other chromium-containing alloys, are used in critical applications including biomedical implants to nuclear reactor components. Elucidating the compositional dependence of this electrochemical behaviour has long been an open question in corrosion science.

With the advent of data mining, artificial intelligence, and increased computational power based on density functional theory (DFT), alloy families are being discovered at an increasing rate. However, there are no criteria for determining the formation of alloys with good service properties. Potential-pH diagrams constructed with DFT now assume thermodynamic equilibrium, but typically passive film growth is kinetically controlled; passivated films can be far from equilibrium, both in terms of crystal structure and composition.

В этом исследовании исследователи сосредоточили свое внимание на процессе проникновения, который происходит на начальных этапах пассивации, называемой первичной пассивацией, которая представляет собой поверхностный процесс, который происходит за 10 мс или меньше. Основываясь на ионных радиуях Cr3 +, O2-и объемно-центрированных кубических (bcc) Fe-Cr кристаллических структур, было выдвинуто предположение, что связанные поверхностно-Cr-O-Cr-связи, также известные как «мерные» единицы, могут эволюционировать в атомы Cr, разделенные третьим расстоянием ближайшего соседа (NN) в решетке Fe-Cr. Cr атомы разделены третьим ближайшим соседом (NN) расстояние в решетке Fe-Cr. Для гранно-центрированных кубических (fcc) Ni-Cr сплавов аналогичный аргумент предполагает, что атомы Cr также могут быть разнесены до третьего расстояния NN, которое лишь немного больше, чем расстояние атомов Cr в единице измерения (0016 нм). Ключевая мотивация, связывающая явление перколяции с пассивацией, связана с образованием пространственно изолированных-Cr-O- Cr-мерных единиц. Из-за селективного растворения Fe или Ni во время начальной пассивации предполагается, что эти несвязанные локализованные пассивные области могут быть растворены, и единственный способ предотвратить это-чтобы эти начальные ядра оксида были непрерывными или проникали через поверхность сплава. Пороги перколяции для стохастических твердых растворов ОЦК и FCC, включая до 3-го NN, определены здесь как 0095 и 0061. Важно отметить, что эти пороговые значения устанавливают более низкие синтетические пределы только для молярной фракции Cr, необходимой для пассивации. При этих пороговых значениях для того, чтобы наступила большая пассивация, Fe или Ni должны быть селективно растворены на глубину в тысячи слоев.

Здесь следует признать, что первичный процесс пассивации происходит на топологических или шероховатых поверхностях, которые образуются при электрохимическом растворении металлов и химических окислов металлов. Фиг.1а представляет собой демонстрационную схему, показывающую эволюцию поверхности этого сплава и то, как исходный состав сплава определяет глубину растворения, необходимую для образования первичной пассивационной пленки, h. На рисунке 1b показаны сравнительные результаты кинетического моделирования методом Монте-Карло (KMC) пассивной поверхности, разработанной для сплава bcc Fe/17 при %-Cr. Cr обогащают на шероховатых поверхностях, когда Fe селективно растворяют. Достаточно размерные кластеры атомов Cr на поверхности металла действуют как места зарождения для-Cr-O-Cr-мерных единиц, а атомы Fe, мостиковые или непосредственно прилегающие к этим мерным единицам, образуют ранние смешанные ядра оксида. Поскольку окрестность атомов Fe вокруг малых кластеров Cr ослабляет свободную энергию Гиббса образования единиц измерения, электрохимический потенциал пассивации кластера Cr определенного размера будет зависеть от его размера.

Связанные Новости