不锈钢稀土共渗耐蚀高强韧层形成机理与第一性原理表征

不锈钢广泛用于航空、航天、核电、石油化工等领域装备中的关键耐蚀零部件制造，但因表面强度低而使其在传动件上应用受到限制。因此，在不锈钢表面制备耐蚀性不降低、同时具有高强韧性能、深层扩散的改性层是当前国内外研究热点。本研究核心是通过对不锈钢表面进行稀土与异类元素共掺杂，获得高强韧与耐蚀性兼备、深层扩散的改性层，揭示耐蚀、高强韧和深层扩散的微观机制。包括：微结构的稳定性与成键性质表征、改性层微观结构设计与形成门槛值；脉冲等离子体稀土氮、碳共渗无铬化合物析出层技术，生成相层结构演变分析、观察与性能表征，并结合第一性原理计算，阐明制备的改性层耐蚀、高强韧与深层扩散的微观机制。哈尔滨工业大学发明的稀土化学共渗理论及应用成果，得到国内外同行的认可，探索不锈钢表面耐蚀高强韧、深层扩散的等离子体稀土共渗技术、并从原子和电子结构层面揭示其微观机制方面的研究工作尚未见报道。因此，工作具有理论研究意义和应用价值。

研究了不锈钢表面低温稀土共渗耐蚀高强韧层的形成机理。采用第一性原理计算方法表征了膨胀固溶体和脱溶相的自由能，热力学稳定性，力学和电子性质。利用热力学计算，获得了低温稀土共渗的无CrN析出的温度门槛值。利用OM、SEM、TEM、EDS、XRD、XPS、纳米硬度计、磨损试验机、阳极极化等分析测试技术对耐蚀高强韧层的组织结构和性能进行了表征。采用第一性原理计算的方法研究了稀土元素对N/C在α-Fe中扩散的影响。成果包括：获得稳定Fe-Cr-N固溶体的自由能随成分变化规律，确定了低温共渗温度门槛值，即共渗温度低于460C时无CrN析出；构建了膨胀奥氏体和脱溶相的原子结构模型，实现了对其稳定性，力学和电子性质的表征；得出了稀土添加对低温共渗层表面形貌、渗层厚度、组织结构演变和共渗层增厚动力学影响规律；获得了稀土添加对渗层内N/C元素分布和渗层组织的影响规律，揭示了C在膨胀固溶体中的调制扩散与渗层扩散机制；获得了共渗层内稀土元素的分布和存在方式，阐明了稀土催化的微观机理；获得了稀土添加对共渗层硬度分布，塑韧性，耐磨性和耐蚀性的影响规律，揭示了共渗改性层耐蚀高强韧性的微观机理；构建了N/C元素与稀土元素在α-Fe中交互作用的模型，获得了稀土共渗过程中N、C元素的深层扩散机制。