부식 방지 합금 설계 이론

출시 날짜: 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.

이 연구에서 연구원들은 10 ms 이하에서 발생하는 표면 과정 인 1 차 패시베이션이라고하는 패시베이션의 초기 단계에서 발생하는 침투 과정에 집중했습니다. Cr3, O2 및 신체 중심 입방 (bcc) Fe-Cr 결정 구조의 이온 반경을 기반으로 "mer" 단위로도 알려진 표면-Cr-O-Cr-결합을 연결한다고 가정되었습니다. Fe-Cr 격자에서 세 번째로 가까운-이웃 (NN) 거리로 분리된 Cr 원자로 진화할 수 있다. Fe-Cr 격자에서 세 번째로 가까운 이웃 (NN) 거리에 의해 분리된 Cr 원자. 얼굴 중심 입방 (fcc) Ni-Cr 합금의 경우, 유사한 주장은 Cr 원자가 머 단위 (0.016 nm) 에서 Cr 원자의 간격보다 약간 더 큰 세 번째 NN 거리까지 이격 될 수 있음을 시사합니다. 침투 현상을 패시베이션에 연결하는 주요 동기는 공간적으로 분리 된-Cr-O- Cr-mer 단위의 형성과 관련이 있습니다. 초기 패시베이션 동안 Fe 또는 Ni의 선택적 용해로 인해, 이러한 연결되지 않은 국소 수동 영역은 용해될 수 있으며, 이러한 발생을 방지하는 유일한 방법은 이러한 초기 산화물 핵이 연속적이거나 합금의 표면을 관통하는 것이다. 3 차 NN까지 포함하는 bcc 및 fcc 확률적 고체 용액에 대한 침투 임계값은 여기서 0.095 및 0.061 로 정의된다. 중요하게는, 이들 임계값은 패시베이션에 필요한 Cr 몰 분율에 대해서만 더 낮은 합성 한계를 설정한다. 이들 임계값에서, 주요 패시베이션이 일어나기 위해서는, Fe 또는 Ni는 수천 층의 깊이로 선택적으로 용해되어야 한다.

여기서, 1 차 패시베이션 공정은 전기화학적 금속 및 화학적 금속 산화물 용해에 의해 형성되는 토폴로지 또는 거친 표면에서 발생한다는 것을 인식해야 한다. 도 1a 는 이 합금의 표면의 진화와 초기 합금 조성이 1 차 패시베이션 필름 (h) 의 형성에 필요한 용해 깊이를 어떻게 결정하는지를 보여주는 데모 다이어그램이다. 도 1b 는 bcc Fe/17-at %-Cr 합금에 대해 개발된 수동 표면의 운동 몬테카를로 (KMC) 시뮬레이션으로부터의 비교 결과를 나타낸다. Fe가 선택적으로 용해될 때 Cr은 거친 표면 상에서 농축된다. 금속 표면상의 충분한 크기의 Cr 원자 클러스터는-Cr-O-Cr-mer 단위에 대한 핵 생성 부위로서 작용하며, 이러한 mer 단위에 가교 또는 바로 인접한 Fe 원자는 초기 혼합 산화물 핵을 형성합니다. 작은 Cr 클러스터 주위의 Fe 원자의 이웃이 mer-단위 형성의 Gibbs 자유 에너지를 감쇠시키기 때문에, 특정 크기의 Cr 클러스터를 패시베이트하는 전기화학적 전위는 그 크기에 의존할 것이다.