稀土在如滲碳、滲氮、噴涂等表面處理技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。稀土輔助滲氮被證明有助于促進(jìn)擴(kuò)滲速率，提高滲層厚度，改善滲層性能。然而，相應(yīng)的機(jī)制尚不清晰。近年來，第一性原理計(jì)算被廣泛用來研究微觀尺度的原子相互作用，從而揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深層次下的一些微觀機(jī)制。

安徽工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代表界面工程研究中心張世宏教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究中，通過第一性原理研究稀土元素對(duì)氮原子在體心立方鐵表面吸附和擴(kuò)散的影響，揭示了稀土滲氮的催滲機(jī)制。相關(guān)論文以題為“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”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域國(guó)際頂刊Acta Materialia。

論文鏈接：

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

在文中，首先計(jì)算了體心立方鐵的體結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)性能，計(jì)算了氮的吸附性能，與其它文獻(xiàn)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果吻合，證明了本計(jì)算方法的可靠性。接著建模模擬了稀土元素在體心立方鐵中的占位，計(jì)算了稀土元素?fù)诫s的體心立方鐵表面氮原子的吸附情況。稀土元素?fù)诫s對(duì)氮原子的優(yōu)先占位和吸附能均產(chǎn)生了影響，其中La摻雜提高了體心立方鐵表面對(duì)氮原子的吸附能力，這與實(shí)驗(yàn)觀察到稀土滲氮表面較高的氮含量結(jié)果吻合。通過bader電荷和馳豫后的結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)了較強(qiáng)的La-N作用，解釋了La元素?fù)诫s后氮原子吸附能的提高。

稀土元素?fù)诫s體心立方鐵表面吸附氮原子

稀土元素?fù)诫s體心立方鐵表面氮原子的吸附能

進(jìn)一步地，文章對(duì)氮原子在體心立方鐵次表面的吸附進(jìn)行了計(jì)算，氮原子傾向于占據(jù)八面體間隙，而稀土元素?fù)诫s有助于氮原子在八面體間隙的吸附。考慮到氮原子從表面擴(kuò)散至次表面的過程是滲氮的決速步，利用CI-NEB計(jì)算方法對(duì)該過程進(jìn)行計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)稀土元素?fù)诫s對(duì)擴(kuò)散能壘的降低有幫助?？偨Y(jié)了稀土La和Ce的催滲機(jī)制：La能夠改善氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，并略微降低了氮原子在體心立方鐵表面擴(kuò)散至次表面的能壘；Ce略微削弱了氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，但是大幅度地降低了氮原子在體心立方鐵表面擴(kuò)散至次表面的能壘。

這項(xiàng)研究將有助于深入了解稀土在表面處理技術(shù)中發(fā)揮的作用，為稀土表面處理技術(shù)的優(yōu)化提供理論支撐，也為第一性原理揭示表面處理的微觀機(jī)制提供了一個(gè)范例。

稀土元素?fù)诫s體心立方鐵次表面吸附氮原子

稀土元素?fù)诫s體心立方鐵表面氮原子的擴(kuò)散

審核編輯 ：李倩