稀土氧化物影响氧化铝膜热生长的原因被发现

稀土氧化物影响氧化铝膜热生长的原因被发现

高温金属结构材料环境退化的关键因素之一就是氧化,其是否抗氧化在于能否形成致密、热生长速度慢以及热稳定性高的氧化膜。热生长Al2O3是典型的保护性氧化物,人们对Al2O3生长型合金和涂层的高温氧化行为进行了大量研究,并且发现加入少量的稀土元素或者它们的氧化物能进一步降低合金和涂层所形成的Al2O3膜的生长速度,产生所谓的活性元素效应。

REE的解释模型很多。有关影响氧化动力学的REE,目前有两个较流行的解释模型。一个是由著名金属材料科学家R.A. Rapp等人提出的界面毒化模型,即氧化过程中金属基材中的稀土元素原子向氧化膜/金属基体界面偏聚,通过钉扎界面失配位错攀移而抑制氧化膜生长。另一个是晶界偏聚模型,即RE离子在氧化膜晶界偏聚,阻止了供膜生长的阳离子短路扩散。RE晶界偏聚被TEM EDS工作证实。在此模型基础上,美国橡树岭国家实验室的B.A.Pint提出动态偏聚模型,认为RE离子在Al2O3晶界动态偏聚,它在表面与界面之间的氧势驱动下向表面迁移。热力学上,RExOy比Al2O3更稳定,那么前者氧化时如何产生向界面偏聚的RE离子呢?PIM模型没有专门说明,而PIM模型认为也是因界面与金属基体内的氧分压差所致。对于这一解释,中国科学院金属研究所彭晓课题组曾提出质疑,认为虽然金属基体内的氧分压会稍低于界面Al2O3/Al的平衡氧分压,但这降低值不足以导致RExOy分解,提出偏聚于Al2O3膜晶界的RE离子来自于RExOy在膜中的微量溶解,而RExOy掺进膜中与a-Al2O3内生长有关,并通过研究CeO2弥散的渗铝涂层的氧化加以验证,但这一解释还缺乏有力的证据。

最近,研究人员进一步用TEM和HREM表征渗铝涂层热生长Al2O3膜的微观结构并从涂层至膜中追踪Ce,分析其分布情况、存在形式以及CeO2形貌与结构的演化,获得以下结果:1)涂层中无单质Ce存在;2)Al2O3膜由外生长的g相和内生长的a相组成;3)a-Al2O3内生长导致CeO2弥散颗粒进入膜中并微量溶解产生Ce4+,后者易在晶界偏聚;4)Ce4+沿a-Al2O3晶界以及g-Al2O3孪晶界向外扩散,在表层沿孪晶界析出Ce2O3。据此,提出了CeO2影响氧化的REE模型,它解释了RExOy产生偏聚于Al2O3膜晶界的RE离子的原因。对于单质RE加入合金或涂层的情况,由于RE因固溶度低而会析出富RE颗粒,后者易氧化形成RExOy颗粒,因此,该模型还有望可解释RE产生相关REE的本质原因。相关工作已在《科学报告》

本文由8455娱乐场发布于化工科学,转载请注明出处:稀土氧化物影响氧化铝膜热生长的原因被发现

相关阅读