CrN中间层阻挡元素扩散的能力研究
Cr在α-Fe(C)中对C扩散影响的第一性原理研究
第52卷第12期2021年12月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.12Dec.2021Cr 在α-Fe(C)中对C 扩散影响的第一性原理研究王辉，苏福永，刘文丽，温治(北京科技大学能源与环境工程学院，北京，100083)摘要：为了研究Cr 原子加入α-Fe(C)中对C 原子扩散的影响，基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理方法，采用广义梯度近似(GGA)下的PBE 泛函形式和攀升图像微扰弹性带(CI-NEB)方法，首先分析Cr 原子和C 原子在α-Fe 中的占位；其次，通过体系的分波态密度图和bader 电荷布局分析α-Fe(C)-Cr 体系的电子结构；最后，计算在α-Fe(C)-Cr 体系中C 原子位于Cr 原子不同近邻位置时的相互作用以及C 原子在α-Fe(C)和α-Fe(C)-Cr 这2种体系中的扩散激活能。
研究结果表明：Cr 原子在α-Fe 中占据体心位置和顶角位置时晶胞体积变化率无明显差别，Cr 原子在α-Fe 中占位无明显偏向性；C 原子在α-Fe 中占据八面体位置；Cr 在α-Fe 内与C 原子的键合作用较弱，与Fe 原子的键合作用较强，增强了晶胞稳定性；在α-Fe(C)-Cr 体系中，Cr 和C 之间相互排斥，随着距离增加其相互作用能越来越弱，并在距离超过1.75a α-Fe 时趋于0；Cr 原子加入α-Fe(C)后，当C 原子朝着远离Cr 原子的方向扩散时，Cr 原子与C 原子之间的相互作用降低了其扩散激活能，且随着C-Cr 间距离增加，扩散激活能逐渐趋于α-Fe(C)体系中C 原子的扩散激活能。
关键词：第一性原理；相互作用；扩散中图分类号：TG151文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID )文章编号：1672-7207（2021）12-4262-09First-principles of influence of Cr on C diffusion in α-Fe(C)WANG Hui,SU Fuyong,LIU Wenli,WEN Zhi(School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:To study the effect of adding Cr atom to α-Fe(C)on the diffusion of C atom,the generalized gradient approximation(GGA)of PBE functional form and climbing Image Perturbation Elastic Band(CI-NEB)method were employed based on the first-principles method of spin-polarized density functional theory.Firstly,the occupancy of Cr atom and C atom in α-Fe was analyzed.Secondly,the electronic structure of α-Fe(C)-Cr system was analyzed by means of partial density of states and bader charge population.Finally,the interaction of Cr atom and C atom in α-Fe(C)-Cr system was calculated when C atom was located at different neighboring positions of Cr收稿日期：2021−02−10；修回日期：2021−05−15基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51706017)(Project(51706017)supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者：苏福永，博士，副教授，从事金属热处理研究；E-mail ：***************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.12.007引用格式：王辉,苏福永,刘文丽,等.Cr 在α-Fe(C)中对C 扩散影响的第一性原理研究[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(12):4262−4270.Citation:WANG Hui,SU Fuyong,LIU Wenli,et al.First-principles of influence of Cr on C diffusion in α-Fe(C)[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(12):4262−4270.第12期王辉，等：Cr在α-Fe(C)中对C扩散影响的第一性原理研究atom.The diffusion activation energy of C atom inα-Fe(C)andα-Fe(C)-Cr systems was calculated.The results show that there is no significant difference in the cell volume change rate when Cr atom occupies body center position and vertex angle position inα-Fe,and there is no obvious preference for the occupying position of Cr atom inα-Fe.C atom occupies octahedral position inα-Fe.Cr atom has a weak bond with C atom inα-Fe,and a strong bond with Fe atoms,which enhances the stability of the unit cell.Inα-Fe(C)-Cr system,Cr atom and C atom repel each other,the interaction energy becomes weaker as the distance increases,and tends to0when the distance exceeds about1.75aα-Fe.After Cr atom is added toα-Fe(C),C atom diffuses away from Cr atom and the interaction between Cr atom and C atom reduces their diffusion activation energy.The diffusion activation energy approaches that of C atom inα-Fe(C)system with the increase of distance between C and Cr.Key words:first principle;interaction;diffusion碳是铁基合金中最常见的间隙原子之一，通过形成碳化物[1]、晶界碳偏析[2]、硬化和脆化效应[3]等，可显著提高钢的强度和硬度[4]。
CrN中间层阻挡元素扩散的能力研究
ＭＣＡＹ（ 代 表 Ｆ ， ｉ 和 ｃ ） 层 作 为燃 ｒ１ Ｍ ｅ Ｎ 或／ ０涂
气 轮机 叶片的 防护涂 层 ， 近得 到 广 泛 的研 究 和应 最
本研 究 旨在用 电弧离 子镀技 术在镍 基高 温合金
上 沉积 ＣＮ扩 散 阻挡 层 和 Ｎ ＣＡ Ｙ防护 涂 层 ， 含 ｒ ｉｒ １ 将 或 不含 Ｃ Ｎ扩散 阻挡 层 的 样 品 在 １ ０ ｏ ｒ １ ０ｃ下进 行 恒
１ 实验 方 法
基 材 选 用镍 基 高温 合 金 Ｄ Ｍ１ ， 学成 分 （ Ｓ １化 质 量分数／ ） ： ｒ１ ． ％ 为 Ｃ ４ ０，Ｃ ． ，Ｗ ． ，Ｍ ． ， ｏ９ ５ ３ ８ ｏ１ ５
Ｃ Ｎ涂 层具有 硬度 高 、 ｒ 耐摩 擦磨 损 、 抗腐 蚀和 抗 氧化等 特点 ， 直受到研 究人 员 的关 注 ¨ 由于 一 ” 。 具 有较 高的致 密 性 及 与基 体 较 强 的 界 面结 合 ’
能力 ， 可以考虑将 其 作 为 高温 防 护涂 层 体 系 的扩 散
阻挡 层进行 研 究 。属 于 Ⅵ Ａ族 的 ｃ 和 Ｖ Ｂ族 的 Ｎ ｒ
之 间的反应 活性 较低 ， 用 反 应溅 射 法很 难 获 得 纯 采
Ｔ ． ， １ ． Ｔ ． ， ． ｌ ，Ｃ０ １ ，Ｎ 为余 ａ２ ８ Ａ ０， ｉ ９ Ｂ０ Ｏ ５ ．０ ｉ ３ ４ 量 。在 ＭＩ－—０ Ｐ８８ ０型 电弧 离子镀 设备 上沉 积 Ｃ Ｎ和 ｒ ＮＣ ＡＹ涂层 ， ｉｒ １ 靶材 分别 为纯 度 ９ ％ （ 量分 数 ） ９ 质 的
（ ．广西 大 学 有 色 金 属 及 材 料 加 工新 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 宁 ５ ０ ０ ； ．中国 科 学 院 金 属 研究 所 金 属 腐蚀 与 防护 国家 １ 南 ３０ ４ ２ 重 点 实验 室 ， 阳 １０ １ ； ．德 国锡 根 大 学 材料 工 程 研 究 所 ， 国 锡 根 ５０ ６ 沈 １０６ ３ 德 ７７ ）
材料元素扩散机制
材料元素扩散机制
材料元素扩散机制是指在固体材料中，原子或离子在晶格间或晶界上进行迁移的过程。
材料元素的扩散可以通过不同机制实现，主要有以下几种：
1. 空位扩散：材料晶格中出现空位（缺陷），空位会成为元素迁移的驱动力。
空位扩散的速度受到空位浓度、空位迁移能障等因素的影响。
2. 间隙扩散：元素通过固体晶格中的间隙空隙进行迁移。
这种扩散机制适用于原子尺寸小的元素，如氢、碳等。
3. 扩散势垒：元素扩散需要克服位错和晶界等阻力，需要克服一定的扩散势垒。
扩散势垒的大小与材料的结构和原子尺寸有关，低温下扩散势垒较高，导致扩散速率较慢。
4. 拡散路径：扩散路径是元素扩散过程中的通道，包括晶格间、晶界、孔隙、管道等。
扩散路径对扩散速率和形貌的影响很大，一些扩散路径的阻挠会限制元素迁移。
5. 形核扩散：形核扩散指的是元素在晶格缺陷附近发生形核，形成点状缺陷和微颗粒。
形核扩散可以通过扩散激活能的降低来促进扩散速度。
通过研究和理解材料元素的扩散机制，可以为材料的合理设计和加工工艺的优化提供指导，同时也有助于解析材料中一些微观性质和现象的本质和原因。
Cr在Fe-Cr合金中扩散过程的原子尺度模拟研究
Cr在Fe-Cr合金中扩散过程的原子尺度模拟研究作者：潘龙杨奔峰来源：《科技资讯》 2015年第9期潘龙杨奔峰(南京理工大学材料科学与工程学院江苏南京 210094)摘要:该文通过计算机模拟方法研究Cr在Fe-Cr合金中的扩散。
用2BM(two band model)势函数模型计算了Fe的空位形成能以及Fe-Cr合金中Cr与空位V之间的结合能、空位迁移能。
按照固体中杂质扩散的五频率模型,结合纯铁的分子动力学模拟,计算了合金中Cr原子的扩散系数。
此外,在不同的温度和空位浓度条件下,对Fe-1%Cr合金直接进行了分子动力学模拟计算,获得了合金中Cr原子的扩散系数,结果与五频率模型计算结果较为一致。
关键字:Fe-Cr合金扩散分子动力学五频率模型中图分类号:TG131 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)03(c)-0241-01铁素体/马氏体(Ferritic/Martensitic,F/M)钢具有优异的几何稳定性、抗辐照肿胀和优良的耐腐蚀性能等特性,可以作为未来聚变示范堆和第四代核反应堆候选结构材料之一[1]。
研究表明,Cr的加入对材料的辐照性能产生了很大的影响[2]。
F/M钢辐照过程中会产生富Cr的α’相,导致材料脆化、应力腐蚀和化学腐蚀等性能变化[3]。
目前α’相的形核过程的动力学细节还不清楚,但是肯定应与空位扩散机制有关。
核反应堆中材料受到中子辐照,产生大量空位。
因此要想弄懂形核机理,必须了解合金中原子扩散过程。
目前国内外关于Cr在Fe-Cr合金中扩散的研究尚未完善,该文采用计算机模拟方法来研究Cr在Fe-Cr合金中扩散过程的原子尺度的相关问题。
首先通过原子扩散的五频率模型,计算了Cr在Fe-Cr稀合金中的扩散系数,再通过分子动力学模拟计算得到了Cr在Fe-Cr合金中的扩散系数,对比两者的结果,验证计算的准确性,从而为相场模拟、动力学蒙特卡罗模拟等研究工作提供关于扩散的基础数据。
铬的扩散激活能
铬的扩散激活能
铬的扩散激活能是指在固体中，铬原子从一个位置扩散到另一个位置所需要的能量。
这个概念在材料科学中非常重要，因为它可以帮助我们理解材料的性质和行为。
铬是一种常见的金属元素，它在许多合金中都有应用。
例如，不锈钢中的铬可以提高钢的耐腐蚀性能。
然而，铬的扩散激活能对于这些合金的性能也有很大的影响。
在固体中，原子的扩散是通过晶格缺陷来实现的。
晶格缺陷是指晶体中的原子位置不完美，例如空位、间隙、位错等。
这些缺陷可以提供原子扩散所需的能量，因此，铬的扩散激活能与晶格缺陷的类型和密度有关。
晶格缺陷的类型可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位和杂质原子，它们可以提供原子扩散所需的能量。
线缺陷包括位错和螺旋缺陷，它们可以提供原子在晶体中移动所需的能量。
面缺陷包括晶界和位错堆积，它们可以提供原子在晶体表面移动所需的能量。
晶格缺陷的密度也会影响铬的扩散激活能。
缺陷密度越高，原子扩散所需的能量就越低。
因此，材料中的缺陷密度可以通过控制材料的制
备条件来调节，从而影响材料的性能。
总之，铬的扩散激活能是材料科学中一个重要的概念。
它可以帮助我们理解材料的性质和行为，并且可以通过控制晶格缺陷的类型和密度来调节材料的性能。
在未来的研究中，我们需要进一步探索铬的扩散激活能与材料性能之间的关系，以开发更加高效和可靠的材料。
元素扩散及界面形成机理研究
元素扩散及界面形成机理研究
元素扩散及界面形成机理研究主要是通过探究化学反应、物理过程和材料结构等方面来分析元素在材料中的扩散规律,以及不同材料之间的界面形成过程。
对于元素扩散,其机理可以分为两类,分别是空位扩散和间隙扩散。
空位扩散是指固体材料中原子在晶格中的空位上进行扩散,需要通过晶格缺陷进行传递。
而间隙扩散则是指原子通过晶格间隙进行扩散,该过程需要经过材料晶体结构的变形。
在实际应用过程中,常见的扩散机理是二者的结合,通过晶格空位和间隙共同作用来推动元素的扩散。
而界面形成机理主要可以分为化学反应和物理过程两类。
化学反应的界面形成机理是在材料的表面或界面处发生化学反应,形成新的化合物,在该过程中,元素的扩散是不可或缺的。
而物理过程则是在材料之间形成界面,如悬浮液的沉积、涂覆、气相沉积等技术。
在这些过程中,一些物理障碍如表面张力、辐射效应和气相组成等都会影响界面的形成过程。
总的来说,元素扩散及界面形成机理研究涉及到化学、物理等多个方面。
通过对元素扩散规律和界面形成机理的深入研究,可以为材料加工及材料科学提供重要的基础理论和现实指导。
《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》范文
《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，钢铁材料在各种工程应用中扮演着至关重要的角色。
Cr-Mo-V-Nb调质钢作为一种重要的工程结构材料，因其高强度、良好的韧性和优异的耐腐蚀性能而得到广泛应用。
在Cr-Mo-V-Nb调质钢中，Nb元素作为微合金元素，对于组织细化和强韧化作用具有重要意义。
本文将详细探讨Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用。
二、Nb元素在钢中的作用机制Nb元素在钢中主要通过固溶强化和析出强化两种方式发挥作用。
固溶强化主要是在高温冶炼过程中，Nb元素以固溶态存在于钢的基体中，提高钢的强度和硬度。
而析出强化则是在钢的冷却过程中，Nb元素会以细小颗粒的形式从基体中析出，对晶界起到良好的强化作用。
三、组织细化作用1. Nb的细化晶粒效应：Nb元素在钢中可以有效地细化晶粒，使钢的微观组织更加均匀。
这是因为Nb元素的加入会抑制晶界的迁移，阻碍晶粒的长大，从而在轧制和淬火过程中形成更加细小的晶粒。
2. 促进形核：在钢的凝固过程中，Nb元素可以促进形核，增加形核数量，从而细化晶粒。
此外，Nb元素还可以提高钢的再结晶温度，使再结晶过程变得更加困难，进一步细化晶粒。
四、强韧化作用1. 提高强度和硬度：由于固溶强化和析出强化的作用，Nb元素的加入可以显著提高钢的强度和硬度。
这使得Cr-Mo-V-Nb调质钢在承受载荷时具有更好的抗变形能力。
2. 改善韧性：尽管Nb元素的加入提高了钢的强度和硬度，但同时也改善了钢的韧性。
这是因为细小的Nb颗粒可以有效地阻碍裂纹的扩展，提高钢的断裂韧性。
此外，Nb元素还可以改善钢的层错能，使钢在受到冲击时具有更好的能量吸收能力。
3. 抗疲劳性能：由于Nb元素的加入使钢的组织更加均匀和细小，因此Cr-Mo-V-Nb调质钢具有优异的抗疲劳性能。
这使得钢在循环载荷作用下具有更好的耐久性。
五、结论综上所述，Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中具有显著的组织细化和强韧化作用。
锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展
锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展吴金龙;栾佰峰;周虹伶;杨晓玲;黄伟九;孙超【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)10【摘要】随着核反应堆向高燃耗和更长服役寿命方向发展,对包壳材料的安全可靠性提出了更高的要求。
锆合金表面Cr涂层由于其优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能以及与基体良好的兼容性,被认为是最有前景的耐事故涂层包壳材料。
综述了近年来涂层Cr与基体Zr界面元素扩散行为的研究成果,重点介绍了Cr涂层不同状态下的界面结构及演变规律,包括沉积、退火、辐照、氧化等状态。
总结了Cr的扩散、分布和金属间化合物Zr-Cr-(Fe)层的生长动力学模型,归纳了界面扩散对涂层结构及性能的不利影响。
扩散阻挡层是一种抑制涂层与基体互扩散的有效结构,介绍了阻挡层设计制备原则以及现有的和潜在的金属或陶瓷阻挡层材料,分析了2类典型阻挡层的优缺点。
金属阻挡层能抑制Cr的扩散并延迟Cr-Zr共晶反应,但需要考虑中子经济性;虽然陶瓷阻挡层阻隔元素扩散的性能优异,但由于其与锆合金力学性能和热膨胀系数的差异明显,易产生微裂纹,需要考虑其抗裂性。
最后提出了采用实验与分子动力学等相结合的多尺度研究方法开展界面研究,同时指出了目前研究工作中亟待解决的关键问题,这为后续的锆合金表面耐事故涂层研究与开发提供了重要参考。
【总页数】12页(P16-27)【作者】吴金龙;栾佰峰;周虹伶;杨晓玲;黄伟九;孙超【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院;重庆文理学院新材料技术研究院;中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.锆合金Cr涂层包壳管在环向压缩作用下的裂纹行为2.刊误:耐事故燃料用Cr涂层锆合金包壳研究进展3.常压下ATF锆合金包壳Cr涂层表面饱和池式沸腾气泡行为实验研究4.Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展5.耐事故燃料锆合金包壳MAX相材料Cr_(2)AlC涂层的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
金刚石表面Cr金属化的界面扩散反应研究
金刚石表面Cr金属化的界面扩散反应研究
朱永法;王莉;姚文清;曹立礼
【期刊名称】《材料工程》
【年(卷),期】2000(000)001
【摘要】利用直流磁控溅射法在金刚石颗粒表面沉积了厚度为150nm的金属Cr 薄膜.SEM研究表明在金刚石表面形成的Cr膜基本均匀,但有小的金属聚集体存在.俄歇深度剖析研究发现,在镀膜过程中Cr膜和金刚石基底间发生了显著的界面扩散作用.相应的俄歇线形分析表明,沉积过程中在界面上发生化学反应形成了部分
Cr2C3物种.溅射沉积功率对金刚石颗粒与金属Cr膜的界面扩散反应有较大的影响.提高溅射功率可大大促进Cr元素的扩散,但对于C元素的扩散作用则影响较小.界面扩散反应的本质是荷能Cr原子与金刚石基底的碰撞注入作用.
【总页数】4页(P24-26,37)
【作者】朱永法;王莉;姚文清;曹立礼
【作者单位】清华大学化学系,北京,100084;清华大学化学系,北京,100084;清华大学化学系,北京,100084;清华大学化学系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TG731;TG156.8
【相关文献】
1.金刚石薄膜的表面金属化及与Ti薄膜的界面扩散反应的AES研究 [J], 郑斌
2.金刚石颗粒表面Cr金属化及薄膜间界面扩散反应的研究 [J], 朱永法;王莉;姚文
清;曹立礼
3.金刚石表面金属化界面结构特征的研究 [J], 黄炳南;丘定辉
4.CVD金刚石表面金属化Cr／Cu／Ni／Au的研究 [J], 朱晓东;王桦
5.金属—金刚石的粘结界面与金刚石表面的金属化 [J], 林增栋
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
阻挡层金属
• Cu金属化系统双扩散阻挡层的研究 • 王晓冬 吉元 钟涛兴 李志国 夏洋 刘 丹敏 肖卫强
• 【摘要】：采用二次离子质谱仪(SIMS)测 试了SiON和Ta双层扩散阻挡层及Ta扩散阻 挡层的阻挡性能;采用X射线衍射仪(XRD)测 量了沉积态有Ta阻挡层和无阻挡层Cu膜的 晶体学取向结构;利用电子薄膜应力测试仪 测量了具有双层阻挡层Cu膜的应力分布状 况。测试结果表明,双阻挡层中Ta黏附层有 效地将Cu附着于Si基片上,并对Cu具有一定 的阻挡效果,而SiON层则有效地阻止了Cu向 SiO2中的扩散。
• 与Ta阻挡层相比,双阻挡层具有较好阻挡性 能。有Ta阻挡层的Cu膜的{111}织构明显强 于无阻挡层的Cu膜。离子注氮后,薄膜样品 应力平均值为206MPa;而电镀Cu膜后,样品 应力平均值为-661.7MPa。 • 【作者单位】： 中国人民武装警察部队学 院基础部 北京工业大学固体微结构与性能 研究所 北京工业大学固体微结构与性能研 究所 北京工业大学电子信息与控制工程学 院 中国科学院微电子中心 北京工业大学固 体微结构与性能研究所 北京工业大学固体 微结构与性能研究所 • 文献网址： /Article/CJFDTOTA L-BDTQ200803016.htm
• 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散 率，这种高扩散率将破坏器件的性能。 传统的阻挡层金属对铜来说阻挡作用 不够，铜需要由一层薄膜阻挡层完全 封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加 固附着并有效地阻止扩散。在这两个 要求之间需要有一个平衡和折中，因 为好的附着需要与铜有某种程度的反 应，而好的阻挡层金属却需要和铜之 间没有反应。对铜来说对这个特殊的 阻挡层金属要求：
• 【作者单位】：大连理工大学三束材料改性教育部重点实 验室 大连理工大学 台湾科技大学材料科学与工程学系 台 湾科技大学 • 文献网址：/Article/CPFDTOTALZGCZ2011050010GV.htm
热障涂层金属元素扩散阻挡层研究进展
蔡
妍 易 军。 陆 ， ，
峰 陶春 虎 ，
（ １北京航 空 材料研 究 院 ， 北京 １ ０ ９ ； ０ ０ ５
２总参 陆航部装 备 发展办 公 室 ， 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ ３
ＣＡＩＹａ ＹＩＪ ｎ ， ｎ ， ｕ ＬＵ ｅ ｇ ， Ｆ ｎ ＴＡＯ ｕ — ｕ Ｃｈ ｎ ｈ
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并 且 进 行 了展 望 研 究 ， 点 讨 论 了 难 熔 金 属 和 贵 金 属 、 多 金 属 和 陶瓷 层 等 扩 散 阻 挡 层 的性 质 ， 从 制 备 技 术 、 扩 散 效 重 双 并 阻 果 和 应 用 范 围等 方 面进 行 了对 比 。最 后 指 出多 元 扩 散 阻 挡 层 在 未 来 长 寿 命 热 障 涂 层 中具 有 较 大 的 发 展 潜 力 ， 出 了在 提 高 温 合 金 上 制 备 的热 障涂 层 金 属 扩 散 阻挡 层 与 涂 层 和基 体 结 合 力 所 面 临 的 问题 。 关 键 词 ：扩 散 阻 挡 层 ； 障 涂 层 ； 面 ； 散 热 界 扩
cr元素在奥氏体中的扩散常数
cr元素在奥氏体中的扩散常数Cr元素在奥氏体中的扩散常数奥氏体是一种重要的金属组织，具有优异的力学性能和耐热性能，在航空航天、汽车制造、能源等领域得到广泛应用。
而Cr元素作为一种常用的合金元素，在提高钢材的硬度、强度和耐腐蚀性方面起着重要作用。
了解Cr元素在奥氏体中的扩散常数对于合金材料的设计和制备具有重要意义。
扩散是指物质在固体中由高浓度向低浓度传输的过程。
在金属材料中，扩散常数是描述扩散行为的重要参数，它与晶格缺陷、温度、成分浓度等因素有关。
Cr元素在奥氏体中的扩散常数会影响到合金材料的力学性能、耐热性能以及耐腐蚀性能等重要指标。
晶格缺陷对于Cr元素在奥氏体中的扩散行为有着重要影响。
晶格缺陷包括点缺陷和线缺陷两种。
点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子等，而线缺陷则包括位错和晶界等。
这些缺陷会使得晶体结构不规则，从而影响Cr元素的扩散。
例如，空位是一种晶格缺陷，它可以吸附Cr元素，并促进其在奥氏体中的扩散。
此外，位错和晶界也会对Cr元素的扩散行为产生影响。
温度是影响Cr元素在奥氏体中扩散的重要因素之一。
一般来说，温度越高，原子的热运动越剧烈，扩散的速率也就越快。
在奥氏体中，Cr元素的扩散常数随温度的升高而增大。
这是因为高温下，Cr元素更容易克服晶格势垒，从而更容易在奥氏体中进行扩散。
因此，在高温条件下，Cr元素的扩散速率会显著增加。
成分浓度也会对Cr元素在奥氏体中的扩散行为产生影响。
一般来说，成分浓度越高，原子之间的相互作用力越大，扩散速率也就越慢。
在奥氏体中，当Cr元素的浓度较高时，其在晶界附近会形成富集层，从而阻碍了Cr元素的进一步扩散。
因此，成分浓度对于Cr元素在奥氏体中的扩散行为具有重要影响。
Cr元素在奥氏体中的扩散常数受到晶格缺陷、温度和成分浓度等因素的共同影响。
了解和控制Cr元素在奥氏体中的扩散行为对于合金材料的设计和制备具有重要意义。
通过调控晶格缺陷、控制温度和成分浓度等手段，可以有效地改变Cr元素的扩散速率，从而实现合金材料性能的优化。
金属陶瓷表面硬质涂层的制备及其与基体结合强度研究现状
金属陶瓷因既具备金属材料优异的强度、高温导热性和热稳定性，又具备陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀等特性而广泛用于制造切削刀具。
金属陶瓷耐磨性和硬度不足的问题限制了其应用范围，在其表面制备硬质涂层可以解决这一问题，但是涂层的结合强度弱,易剥落。
介绍了硬质涂层的制备方法、涂层与基体结合强度的影响因素，阐述了提高硬质涂层结合强度的方法，最后对金属陶瓷表面硬质涂层的制备技术及结合强度的提高进行了展望。
1制备方法1.1 液相沉积法液相沉积法是20世纪80年代由发明的一种制备氧化物涂层的方法，是一种在过饱和溶液中自动分离结晶的工艺；该方法生产流程简单，耗费少，可再生性好，可生产的氧化物涂层种类多。
液相沉积法可从原位上对前驱体覆膜，可在各种气氛中利用加热、照明、掺杂等后处理过程使覆膜功能化。
近年来，利用液相沉积法制备的金属氧化物涂层越来越受到人们重视，目前主要应用于集成电路、金属-氧化物半导体、生物传感器、光催化和抗菌等方面。
应用广泛的电化学沉积技术也属于液相沉积法的一种，通过在强电场影响下使电解质溶液中的正负离子转移，在阴极表层进行氧化还原过程，从而产生镀层。
可选择将导电性较差的有机溶剂、水溶液、熔融盐等作为电解液，对基体表层进行电沉积以制备多种不同形式和聚集态的物质。
在高压电流下产生的大电荷会导致含碳有机溶液极化、电离，所产生的含碳物质会与高压阴极表层发生电化学反应而产生“碳碎片”，经扩张形成薄膜。
电化学沉积技术具有仪器和工艺简单、膜层厚度容易控制的特点。
1.2 气相沉积法1.2.1 化学气相沉积技术化学气相沉积技术是先将化工反应室通入各种气体，在化工反应室的衬底表面上或在含碳气相物质中，利用气态或蒸气态物质在气相或气/固界面上进行物理化学反应而析出固相化合物，并沉积到基体上形成固态沉积物的方法。
化学气体主要包括能够形成薄膜元素的气态化学反应剂和液体反应溶剂的蒸气，以及发生物理化学反应的其他化学气体。
金属陶瓷表面硬质涂层的组成、与基体结合强度和物理性能会受到输送物料、气体特性、基体材料类型、基体表面状况、温度分布等因素的影响。
TiN涂层结构与抗氧化性能研究的开题报告
超超临界汽轮机叶片(Ti,Al)N/TiN涂层结构与抗氧化性能研究的开题报告研究背景及意义：超超临界汽轮机作为一种高效的能量转换设备，具有高温、高压、高速的特点。
在汽轮机中，叶片是关键部件，其工作环境极为恶劣，常常受到高温、高压、氧化腐蚀等多种因素的影响。
因此，如何提高叶片的抗氧化性能，延长其使用寿命，对于汽轮机的运行稳定性和经济性有着重要意义。
目前，提高叶片抗氧化性能的方法主要是采用表面涂层技术。
TiN和(Ti,Al)N等涂层具有良好的抗氧化性能和热稳定性，是沿用较多的涂层材料之一。
本项目旨在研究超超临界汽轮机叶片表面采用TiN和(Ti,Al)N复合涂层的抗氧化性能，并探究涂层结构对其抗氧化性能的影响，为汽轮机高温板块保护提供技术支持。
主要研究内容：1.制备TiN和(Ti,Al)N涂层采用磁控溅射技术，在预处理后的叶片表面制备TiN和(Ti,Al)N复合涂层。
中间层采用CrN作为扩散阻挡层。
2.涂层结构和成分分析采用扫描电镜和透射电镜等方法，分析涂层的结构和成分，研究复合涂层对叶片表面的影响，确定涂层最优结构。
3.抗氧化性能测试采用高温氧化实验，测定TiN和(Ti,Al)N涂层叶片在高温(800℃~1200℃)高压(7MPa~10MPa)下的抗氧化性能，通过比较两种涂层对叶片的保护效果，确定最佳涂层材料。
预期结果：1.成功制备TiN和(Ti,Al)N涂层，确定最优涂层结构。
2.通过比较两种涂层的抗氧化性能，确定最佳涂层材料及其抗氧化性能。
3.为超超临界汽轮机叶片的高温保护提供技术支持。
研究进展：目前已完成TiN和(Ti,Al)N涂层的制备工作，并对涂层表面进行了结构表征。
下一步将进行高温氧化实验，测定涂层的抗氧化性能并进行数据分析。
铁素体 c扩散系数
铁素体 C扩散系数1. 引言铁素体是铁碳合金中的一种晶体结构，具有良好的机械性能和热处理性能。
而铁素体中的C元素扩散对于合金的性能和组织起着重要的影响。
本文将介绍铁素体中C 元素的扩散过程及其相关的影响因素。
2. 铁素体中C元素的扩散过程在铁素体中，C元素的扩散主要发生在晶界和晶内。
晶界扩散是指C元素沿晶界通过位错和孔隙进行迁移，而晶内扩散则是指C元素在晶体内部通过空位和间隙原子的扩散。
晶界扩散是铁素体中C元素扩散的主要途径之一。
晶界是晶体中两个晶粒之间的界面，其具有较高的能量，因此成为了C元素扩散的热点区域。
晶界扩散的速率受到多种因素的影响，如晶界的类型、温度、应力等。
晶界扩散对于合金的强度、韧性和腐蚀性能有重要影响。
晶内扩散是指C元素通过晶体内部的空位和间隙原子进行迁移。
晶内扩散速率受到温度、C浓度、晶体结构和点缺陷等因素的影响。
晶内扩散是铁素体中C元素扩散的主要途径之一，对于合金的硬度、强度和耐磨性能有重要影响。
3. 影响铁素体中C元素扩散的因素铁素体中C元素的扩散受到多种因素的影响，下面将介绍其中几个重要的因素。
3.1 温度温度是影响铁素体中C元素扩散的重要因素之一。
在一定的温度范围内，C元素的扩散速率随温度的升高而增加。
这是因为温度升高会增加原子的热运动能力，使得C元素更容易从高浓度区域向低浓度区域扩散。
3.2 C浓度C浓度是影响铁素体中C元素扩散的另一个重要因素。
C浓度越高，C元素的扩散速率越快。
这是因为高浓度的C元素会增加晶界和晶内的空位和间隙原子数量，从而提高了C元素的扩散速率。
3.3 晶体结构晶体结构也会对铁素体中C元素的扩散产生影响。
不同的晶体结构具有不同的原子排列方式和间隙原子数量，从而影响了C元素的扩散速率。
例如，体心立方晶体结构中的C元素扩散速率要比面心立方晶体结构中的C元素扩散速率快。
3.4 应力应力是影响铁素体中C元素扩散的另一个重要因素。
应力会改变晶体的原子排列和间隙原子数量，从而影响C元素的扩散速率。
镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展
镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展
于萍;訾艳艳;姜维;王文;朱圣龙
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2015(029)009
【摘要】综述了镍基单晶高温合金扩散阻挡层的国内外研究进展.简要介绍了高温防护涂层/镍基单晶高温合金基体元素的互扩散现象,说明了扩散阻挡层的作用机理,阐述了扩散阻挡层的设计原则和要求,通过对比分析了各类扩散阻挡层的优缺点.最后对镍基单晶高温合金用扩散阻挡层的研究做出了展望.
【总页数】5页(P72-75,96)
【作者】于萍;訾艳艳;姜维;王文;朱圣龙
【作者单位】沈阳化工大学化学工程学院,沈阳110142;沈阳化工大学化学工程学院,沈阳110142;沈阳化工大学化学工程学院,沈阳110142;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;中国科学院金属研究所,沈阳110016;中国科学院金属研究所,沈阳110016
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.4
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第30卷 第2期2010年4月 航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUTI CAL MATER I A LSVol 130,No 12 Ap ril 2010Cr N 中间层阻挡元素扩散的能力研究李伟洲1,2, 刘山川2, 宫 骏2, 孙 超2, 姜 辛3(1.广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室,南宁530004;2.中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室,沈阳110016;3.德国锡根大学材料工程研究所,德国锡根57076)摘要:为了降低涂层和基体间的元素互扩散,采用电弧离子镀技术在N i Cr A lY 防护涂层和DS M11基体间加入Cr N 扩散阻挡层。
用扫描电镜(SE M )观察了沉积态Cr N 涂层、退火和氧化态N i Cr A lY/DS M11和N i Cr A lY/Cr N /DS M11的表面和截面形貌;通过能谱(E DS )分析了元素沿防护涂层和扩散阻挡层的截面分布;用X 射线衍射仪(XRD )检测了防护涂层和扩散阻挡层的物相结构;用透射电镜(TE M )观察了样品退火和氧化后扩散阻挡层的形貌特征;利用1100℃恒温氧化实验比较了单一N i Cr A lY 涂层和N i Cr A lY/Cr N 涂层体系的抗氧化能力,结合真空扩散实验分析了高温情况下元素在涂层和基体间的扩散。
结果表明:Cr N 扩散阻挡层能有效地抑制合金元素的互扩散。
其原因与高温下Cr N →Cr 2N →Ti N 的转变有关;Ti N 在扩散阻挡层的生成有利于防护涂层抗氧化能力的提高。
关键词:涂层;扩散阻挡层;Cr N;氧化;元素互扩散DO I:1013969/j 1issn 110052505312010121011中图分类号:T B43 文献标识码:A 文章编号:100525053(2010)022*******收稿日期:2009204208;修订日期:2009205206基金项目:国家自然科学基金项目(50571101);广西科学基金项目(0731013);广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室开放基金(GXKFJ 214)作者简介:李伟洲(1975—),男,博士,主要从事材料的表面防护研究工作,(E 2mail )wz 2li@hot m ail .com 。
MCr A lY (M 代表Fe,N i 或/和Co )涂层作为燃气轮机叶片的防护涂层,最近得到广泛的研究和应用[1～4]。
但当服役温度高于1000℃时,MCr A lY 涂层与高温合金基体间的互扩散将加剧,这样不但使涂层表面形成的保护性氧化膜过早脱落而加速涂层退化,而且会大大损害合金基体的力学性能[5～7]。
为了降低元素互扩散带来的不良影响,常在涂层与基体间加入扩散阻挡层(diffusi on barrier )[8,9]。
Cr N 涂层具有硬度高、耐摩擦磨损、抗腐蚀和抗氧化等特点,一直受到研究人员的关注[10～13]。
由于具有较高的致密性及与基体较强的界面结合[14,15]能力,可以考虑将其作为高温防护涂层体系的扩散阻挡层进行研究。
属于ⅥA 族的Cr 和ⅤB 族的N 之间的反应活性较低,采用反应溅射法很难获得纯Cr N 相的涂层[16];电弧离子镀(A I P )技术具有能量高、离化率高等优点[17,18],则能较容易地得到单一相的Cr N 涂层,而且此技术沉积速率快、涂层质量好,适合用来制备含Cr N 扩散阻挡层的多层体系。
本研究旨在用电弧离子镀技术在镍基高温合金上沉积Cr N 扩散阻挡层和N i Cr A lY 防护涂层,将含或不含Cr N 扩散阻挡层的样品在1100℃下进行恒温氧化和真空扩散处理,以考察Cr N 阻挡防护涂层和基体间合金元素互扩散的能力及涂层体系的抗氧化能力,为扩散阻挡层的实际应用提供理论依据。
1 实验方法基材选用镍基高温合金DS M11,化学成分(质量分数/%)为:Cr 14.0,Co 9.5,W 3.8,Mo 1.5,Ta 2.8,A l 3.0,Ti 4.9,B 0.015,C 0.10,N i 为余量。
在M I P 282800型电弧离子镀设备上沉积Cr N 和N i Cr A lY 涂层,靶材分别为纯度99%(质量分数)的金属铬和合金N i 223Cr 210A l 20.5Y (质量分数/%)。
沉积前对试样进行研磨、湿喷砂和清洗处理。
装炉完成后,将样品室的真空度抽至≤7×10-3Pa,通入A r 气至0.2Pa,对试样表面进行弧光轰击清洗-800V /3m in 和-600V /2m in;之后通入N 2至016Pa,沉积Cr N 涂层40m in 后,通入A r 气,保持P A r =0.2～0.3Pa,在DS M11,Cr N /DS M11上沉积N i Cr A lY 涂层360m in 。
为了消除涂层沉积时形成的应力和提高涂层/基体的结合力,将样品在真空环境下进行退火处理:650℃/2h +900℃/4h 。
恒温氧化和真空扩散在马弗炉内中进行(真空扩散样品预先第2期Cr N中间层阻挡元素扩散的能力研究进行真空封管处理),温度为1100℃,时间为100h。
用X射线衍射(XRD)测定涂层的物相结构,带能谱(E DS)的扫描电镜(SE M)分析涂层的表面和截面形貌及元素沿截面的分布,用透射电镜(TE M)观察扩散阻挡层的形貌。
2 实验结果与分析2.1 CrN扩散阻挡层的物相及形貌电弧离子镀沉积的Cr N涂层为纯Cr N相,没有检测到Cr2N或其他相,如图1a所示。
SE M结果表明,Cr N涂层表面比较粗糙,有大颗粒附着(图1b);大颗粒的形成常见于没有采用磁过滤的电弧离子镀设备制备的涂层[19];截面形貌(图1c)表明Cr N涂层较为致密,与基体结合良好。
2.2 N i C rA l Y/CrN和N i C rA l Y涂层体系的氧化产物真空退火后,N i Cr A lY/Cr N/DS M11样品主要含γ2N i和γ′2N i3A l,有部分α2Cr和β2N i A l相。
经过高温氧化后,涂层表面主要生成α2A l2O3;氧化时间由10h延长至100h对产物的形成影响不大,如图2所示。
图1 沉积态Cr N涂层的XRD图谱和表面、截面SE M形貌图Fig.1 XRD patterns and SE M mor phol ogies of the as2deposited Cr N coating (a)XRD patterns;(b)surface i m age;(c)cr oss2secti on i mage图2 N i Cr A lY/Cr N/DS M11样品经退火和氧化后表层的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of the N i Cr A lY/Cr N/DS M11aftervacuu m annealing,ther mal exposure at1100℃for10h and100h 扫描电镜结果表明,退火后的N i Cr A lY涂层表面(图3a)主要是椭球状或者片状的颗粒,堆积成褶皱形貌;截面形貌(图3b)表明退火后的N i Cr A lY涂层较为致密,除了灰色的γ/γ′相外,有非连续点状分布的β2N i A l相[8];扩散阻挡层连续,与基体和防护涂层结合良好。
1100℃氧化10h后,涂层表面出现明显的针状和鱼鳞状氧化膜(图3c),结合EDS结果认为主要氧化产物是A l2O3膜。
延长氧化时间至100h,鱼鳞状的A l2O3膜覆盖于整个涂层的外表面,如图3d所示。
没有Cr N扩散阻挡层的样品经过1100℃氧化10h后,其物相结构和表面形貌与N i Cr A lY/Cr N氧化10h的差别不大;但当氧化时间延长至100h,氧化产物中除了α2A l2O3外,还有明显的N i Cr2O4尖晶石和Ti O2相(图4a)。
扫描电镜结果(图4b)表明涂层表面有较大面积的氧化膜脱落,同时还发现含N i Cr2O4和Ti O2的多孔混合氧化物,证明表面氧化膜的脱落与N i Cr2O4,Ti O2的形成有关[6,20]。
2.3 高温下的元素互扩散行为图5为样品在1100℃氧化100h后的截面形貌图和元素线扫描结果。
在没有扩散阻挡层的情况下,经过1100℃/100h的高温氧化,N i Cr A lY/DS M11样品(图5a)表面形成了厚度不一、疏松的混合氧化物,同时在防护涂层中还出现了大小不一的孔洞,这些孔洞的形成与元素互扩散引起的Kirkendall效应有关。
通过元素线扫描分析(图5b)发现,元素在防护涂层/基体界面附近的分布没有明显梯度变化,在表面氧化膜中出现了较高含量的Ti元素,说明在高温氧化过程中基体中的Ti元素已经扩散至涂层表面;由XRD图谱(图4a)可知涂层表面除了形成95航 空 材 料 学 报第30卷A l 2O 3外,还生成了Ti O 2和N i Cr 2O 4。
与之相比,含Cr N 扩散阻挡层的样品经过1100℃氧化100h 后,在涂层表面生成了厚度均匀、致密的氧化铝膜(图5c );而在N i Cr A lY 涂层与DS M11基体界面处连续的Cr N 扩散阻挡层消失,取而代之的是不连续的呈片状分布的富Ti 层。
元素线扫描结果(图5d )表明,Ti 元素除了在原来扩散阻挡层位置出现高含量外,在防护涂层中的含量很低,说明它在高温情况下的向外扩散被有效地抑制了。
为了进一步考察Cr N 扩散阻挡层在高温情况下阻挡元素扩散的能力,将N i Cr A lY/DS M11和N i 2Cr A lY/Cr N /DS M11样品在1100℃高温环境中进行真空扩散处理,截面形貌和元素分布如图6所示。
在没有扩散阻挡层的情况下,在涂层与基体界面处出现了较多孔洞,同时在N i Cr A lY 涂层中测到较多的Ti 元素(图6a );而Cr N 作为扩散阻挡层的情况下,样品的截面形貌与恒温氧化的情况(图5c )类似,在N i Cr A lY 涂层与DS M11基体界面处形成了不连续片状的Ti N 层,涂层中检测到低含量的Ti 元素。
3 讨论由上面的结果可知,含Cr N 扩散阻挡层的N i Cr A lY 涂层对基体有较好的保护作用,即使高温氧化100h 后,涂层表面也没有检测到明显的氧化膜脱落;而在没有扩散阻挡层的情况下,N i Cr A lY 涂层表面除出现有大片脱落区外,还观察到疏松多孔的混合氧化物产生,说明涂层在氧化过程中发生了退化。
元素分析结果表明,不管是在恒温氧化还是在真空06第2期Cr N中间层阻挡元素扩散的能力研究扩散的情况下,扩散阻挡层对合金元素的互扩散都起到了抑制的作用。