纯Fe表面机械研磨处理对Ti原子扩散特性影响的第一性原理计算及实验验证
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王枭1
于晓华1，2
李晓宇1，3
刘成1
钟毅1
詹肇麟1
邓久帅1
《新材料》
2019年12期
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了空位对纯Fe晶格常数、局域态密度和热力学参数的影响规律，结合Ti原子在纯Fe中的过渡态搜索，阐明了空位对纯Fe表面Ti原子扩散特性的作用机制。模拟计算表明，引入空位后，体系晶格常数和局域态密度减小，Helmholtz自由能和结合能降低，声子振动内能、熵值和等容热容增加。bcc-Fe的3×3×3超胞含一个空位和两个空位时Ti原子的扩散势垒分别为0.659 eV和0.353 eV。不同温度下体系的扩散系数表明，纯Fe经表面机械研磨处理(SMAT)后，其在673 K即可达到未机械研磨时1 073 K的Ti原子扩散效果。在实验验证环节，借助扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)仪和X射线衍射(XRD)仪观察及表征了Fe试样经SMAT处理和673 K双层辉光等离子渗Ti处理后的微观组织、截面元素分布及渗层物相结构。结果表明，增加空位浓度可以有效降低等离子渗钛温度，纯Fe表面生成了12μm左右的渗Ti层。本工作可为通过调控空位浓度实现低温渗钛的研究提供参考。
