Мультимодальный подход к пересмотру дефектов окисления в Cr2O3

npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 61 (2022 г.) Цитировать эту статью

1415 Доступов

2 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Окисление хрома на воздухе при 700 °C было исследовано с акцентом на поведение и транспорт точечных дефектов во время роста оксидного слоя. Комплексный набор методов определения характеристик нацелен на характеристики микроструктуры оксида хрома и анализ химического состава. ПЭМ показала, что оксид был толще с более длительным временем окисления и что для более толстых оксидов на границе раздела металл/оксид образуются пустоты. PAS показал, что чем дольше время окисления, тем меньше дефектов вакансионного типа, хотя моновакансии хрома не были обнаружены ни в одном случае. EIS обнаружил, что более длинный окисленный материал был более электрохимически стабильным и что, хотя все оксиды имели характер p-типа, более толстый оксид имел в целом более низкую плотность носителей заряда. В совокупности результаты показывают, что межузельные анионы кислорода и кластерные комплексы вакансий хрома управляют транспортом в окислительной среде при этой температуре, обеспечивая бесценное понимание механизмов, регулирующих коррозию.

Окисление и коррозия металлов и сплавов изучаются на протяжении десятилетий из-за их технологической важности. Окисление может происходить при разных температурах, изменяя типы и концентрации точечных дефектов, которые играют важную роль в коррозии. В частности, хром широко изучается и применяется, поскольку пассивирующая пленка оксида хрома, образующаяся во время окисления, может быть очень устойчивой к коррозии1,2,3,4. Нелегированный хром сам по себе не используется в качестве конструкционного материала, но во многих случаях основной причиной добавления хрома в сплавы является именно образование коррозионностойкого оксидного слоя. При добавлении достаточной концентрации Cr в сплавы на основе железа, никеля или кобальта Cr2O3 образуется сплошным слоем на поверхности, и транспорт ионов снижается до такой степени, что коррозия основного металла существенно подавляется. Подвижность ионов медленнее, чем в Fe2O35,6. Точечные дефекты играют важную роль в регулировании эффективности и установлении пределов защиты от коррозии Cr2O3, поэтому были предприняты значительные теоретические, экспериментальные и модельные усилия, чтобы понять природу точечных дефектов, которые контролируют окисление и механизмы их диффузии7,8,9. 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Несколько теоретических усилий были сосредоточены на кинетике роста оксидного слоя7,8,9. До сих пор существует большой разброс значений коэффициентов самодиффузии и энергий образования дефектов, полученных в различных экспериментальных исследованиях9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. В последние годы некоторые усилия по моделированию были сосредоточены на коэффициентах самодиффузии в чистых Cr, Cr2O3 и Cr-содержащих сплавах с использованием теории функционала плотности20,21,22,23. Хотя каждый из этих подходов дает свое собственное представление о природе зарядового состояния, подвижности и энергии образования точечных дефектов, не было предпринято никаких попыток объединить результаты и идеи различных методов в одном исследовании.

За последние шесть десятилетий для изучения масштабного роста оксида и диффузии точечных дефектов внутри оксидного слоя использовалось широкое разнообразие экспериментальных методов. Рамановская спектроскопия может подтвердить химическую и структурную природу оксидного слоя, которым, как ожидается, будет Cr2O3, но не может предоставить информацию о микроструктуре. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) полезна для оценки структуры, состава и микроструктуры оксида (включая поры, зерна и границы зерен, а также дислокации) внутри оксидного слоя и на любой границе раздела с металлом. Позитронно-аннигиляционная спектроскопия (PAS) и электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) исследуют более мелкие точечные дефекты и их скопления. Сочетание этих экспериментальных методов может пролить свет на фундаментальный механизм образования расширенных дефектов и стабильности, поскольку каждый метод может определять различные свойства с разной точностью и достоверностью.