深入了解稀土在表面处理技术中发挥的作用

稀土在如渗碳、渗氮、喷涂等表面处理技术中有着广泛的应用。稀土辅助渗氮被证明有助于促进扩渗速率，提高渗层厚度，改善渗层性能。然而，相应的机制尚不清晰。近年来，第一性原理计算被广泛用来研究微观尺度的原子相互作用，从而揭示实验现象深层次下的一些微观机制。

安徽工业大学现代表界面工程研究中心张世宏教授团队的一项最新研究中，通过第一性原理研究稀土元素对氮原子在体心立方铁表面吸附和扩散的影响，揭示了稀土渗氮的催渗机制。相关论文以题为“First-principles analysis on the role of rare-earth doping in affecting nitrogen adsorption and diffusion at Fe surface towards clarified catalytic diffusion mechanism innitriding”发表在金属材料领域国际顶刊Acta Materialia。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420304523

在文中，首先计算了体心立方铁的体结构和表面结构性能，计算了氮的吸附性能，与其它文献计算或实验的结果吻合，证明了本计算方法的可靠性。接着建模模拟了稀土元素在体心立方铁中的占位，计算了稀土元素掺杂的体心立方铁表面氮原子的吸附情况。稀土元素掺杂对氮原子的优先占位和吸附能均产生了影响，其中La掺杂提高了体心立方铁表面对氮原子的吸附能力，这与实验观察到稀土渗氮表面较高的氮含量结果吻合。通过bader电荷和驰豫后的结构变化发现了较强的La-N作用，解释了La元素掺杂后氮原子吸附能的提高。

稀土元素掺杂体心立方铁表面吸附氮原子

稀土元素掺杂体心立方铁表面氮原子的吸附能

进一步地，文章对氮原子在体心立方铁次表面的吸附进行了计算，氮原子倾向于占据八面体间隙，而稀土元素掺杂有助于氮原子在八面体间隙的吸附。考虑到氮原子从表面扩散至次表面的过程是渗氮的决速步，利用CI-NEB计算方法对该过程进行计算，研究发现稀土元素掺杂对扩散能垒的降低有帮助。总结了稀土La和Ce的催渗机制：La能够改善氮原子在体心立方铁表面的吸附能力，并略微降低了氮原子在体心立方铁表面扩散至次表面的能垒；Ce略微削弱了氮原子在体心立方铁表面的吸附能力，但是大幅度地降低了氮原子在体心立方铁表面扩散至次表面的能垒。

这项研究将有助于深入了解稀土在表面处理技术中发挥的作用，为稀土表面处理技术的优化提供理论支撑，也为第一性原理揭示表面处理的微观机制提供了一个范例。

稀土元素掺杂体心立方铁次表面吸附氮原子

稀土元素掺杂体心立方铁表面氮原子的扩散

审核编辑 ：李倩