耐腐食性合金を設計するための理論

リリース時間: 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.

この研究では、研究者たちは、10 ms以下で発生する表面プロセスである一次不動態化と呼ばれる不動態化の初期段階で発生する浸透プロセスに注意を向けました。 Cr3、O2、および体心立方 (bcc) Fe-Cr結晶構造のイオン半径に基づいて、「マー」単位としても知られる、接続された表面-Cr-O-Cr結合が仮定されました。fe-Cr格子内の3番目に近い (NN) 距離で分離されたCr原子に進化する可能性があります。 Fe − Cr格子内の3番目に近い (NN) 距離によって分離されたCr原子。面心立方 (fcc) Ni-Cr合金の場合、同様の議論は、Cr原子を3番目のNN距離まで配置することもできることを示唆しています。これは、マー単位のCr原子の間隔 (0.016 nm) よりわずかに大きいだけです。。パーコレーション現象をパッシベーションに結び付ける重要な動機は、空間的に分離された-Cr-O- Cr-merユニットの形成に関連しています。初期パッシベーション中のFeまたはNiの選択的溶解により、これらの非接続パッシブ領域は溶解する可能性があると仮定されており、これを防ぐ唯一の方法は、これらの初期酸化物核が連続しているか、表面に浸透することです。合金。 3番目のNNまでを含むbccおよびfccの確率固溶体のパーコレーションしきい値は、ここでは0.095および0.061として定義されます。重要なことに、これらの閾値は、パッシベーションに必要なCrモル分率に対してのみ合成限界を設定します。これらのしきい値では、大きなパッシベーションが発生するために、FeまたはNiを数千層の深さまで選択的に溶解する必要があります。

ここで、一次パッシベーションプロセスは、電気化学的金属と化学金属酸化物の溶解によって形成されるトポロジカルまたは粗い表面で発生することを認識する必要があります。図1aは、この合金の表面の進化と、最初の合金組成が一次パッシベーションフィルムhの形成に必要な溶解の深さをどのように決定するかを示すデモンストレーション図です。図1bは、bcc Fe/17-at %-Cr合金用に開発された受動面の運動学的モンテカルロ (KMC) シミュレーションの比較結果を示しています。 Feが選択的に溶解すると、Crは粗い表面に富む。金属表面上の十分なサイズのCr原子のクラスターは、-Cr-O-Cr-merユニットの核形成部位として機能し、これらのマーユニットを橋渡しまたはすぐ隣接するFe原子は、初期の混合酸化物核を形成します。小さなCrクラスターの周りのFe原子の近傍は、マーユニット形成のギブス自由エネルギーを減衰させるため、特定のサイズのCrクラスターを不動態化するための電気化学的ポテンシャルは、そのサイズに依存します。

関连ニュース