耐热钢表面Cr₂O₃涂层原子掺杂后的抗氢脆性能与阻氢机理

摘要

针对高温高压临氢环境中氢脆现象导致的耐热钢性能退化问题，提出一种原子稳定掺杂的Cr₂O₃复合抗氢脆涂层，并通过第一性原理方法阐明了该涂层提升其抗氢脆性能与强化阻氢作用的机制。首先，构建Cr₂O₃晶格结构，并将Cr原子替换为Al、Mn、Ni、Ti、Y、Si原子；继而，研究了不同原子掺杂对H原子在表面和亚表面的吸附能、H原子在表面吸附的电子性质以及H原子的扩散行为对Cr₂O₃薄膜阻氢性能的影响机理。仿真模拟结果表明：Al、Ti、Si原子的掺杂使得H原子的吸附能提高，在表面的吸附难度增加；掺杂后Al、Mn、Ti、Y原子的电负性小于Cr的电负性，可减弱H原子在薄膜表面A位的吸附能；Al、Mn、Ti、Si原子的掺杂使得H原子沿表面向亚表面的扩散能垒提高，H原子从表面向亚表面的扩散行为起到了阻碍作用。该研究揭示了掺杂原子对Cr₂O₃涂层抗氢脆作用机制，并提出了提高阻氢性能的原子掺杂策略。

关键词

第一性原理 / 阻氢 / 涂层 / 原子掺杂 / 抗氢脆

基金资助

国家重点研发计划资助项目(2020YFA0714400); 中国博士后科学基金资助项目(BX20230293); 陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2024JC-YBQN-0408)