低碳钢B₄C/Fe纳米复合涂层：实验与理论计算研究

关键词：复合涂料、B4C/Fe、热力学性质、MedeA VASP

1. 研究背景

激光表面工程（LSE）能在多种金属材料上制备涂层，是一种成熟制备涂层技术。LSE技术已被用于不同基底上制备纳米复合材料和金属基复合材料（MMC）涂层。这些涂层具有冶金结构、基底与涂层界面Eu裂缝等特点，可应用于耐磨、耐腐蚀、高温环境中等场合。陶瓷由于具有高硬度、高强度、低密度和高温稳定性等特点，是腐蚀环境中的理想材料。碳化硼（B₄C）是一种结构陶瓷，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼（cBN），具有很高的热稳定、低密度（2.52 g/cm3）。高温下碳化硼比硼化铁稳定性低，较难在涂层中加入B4C，因此作者采用LSE技术合成低碳钢B₄C/Fe纳米复合涂层。本案例中，作者先采用LSE技术合成低碳钢B₄C/Fe纳米复合涂层，然后通过第一性原理分析了其结构的稳定性，并分析了热力学稳定性。

2. 建模与计算方法

作者通过Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA分别搜索了 rhombohedral型B₄C、tetragonal型Fe₂B、orthorhombic型Fe₃C结构，随后采用Supercell Builder创建了各结构超晶胞。作者采用MedeA-VASP模块中对不同体系进行结构优化，接着采用MedeA-Phonon模块分析各结构热力学稳定性。

3. 结果与讨论

3.1 B₄C/Fe涂层结构分析

作者通过LSE技术合成低碳钢B₄C/Fe纳米复合涂层，采用SEM、TEM、X-ray diffraction spectra实验技术对涂层的相演变和微观结构进行了表征，微观结构表征发现，细枝状结构是由纳米尺寸B₄C析出α-Fe组成，而枝晶间主要为Fe₂B和Fe₃C两相，TEM图像分析见图1。只有在高功率、高扫描速度下才能观测到涂层中B₄C，分析B₄C、Fe₂B及Fe₃C各相稳定性，需借助密度泛函理论。作者采用MedeA-VASP模块对B4C、Fe₂B及Fe₃C各结构进行优化，采用的结构见图2。

图1 B₄C/Fe纳米复合涂层TEM图像

图2 B₄C、Fe₂B、Fe₃C结构

3.2 热力学性质分析

接着作者采用MedeA-Phonon模块研究了Fe₂B、B₄C及Fe₃C热力学性质，各相亥姆霍兹能对温度函数见图2。从图中可知，Fe₃C和Fe₂B在高温下具有较低的自由能，而B₄C自由能较高；B₄C相比Fe₃C和Fe₂B相稳定性低。LSE技术能限制Fe含量，同时限制B₄C分解，反应形成更稳定的Fe₃C和Fe₂B相。

图2  Fe₂B、B₄C、Fe₃C亥姆霍兹能对温度函数

4. 总结与展望

本案例中，作者通过LSE技术合成低碳钢B₄C/Fe纳米复合涂层，采用SEM、TEM、X-ray diffraction spectra实验技术对涂层的相演变和微观结构进行了表征，然后采用第一性原理分析B₄C、Fe₂B及Fe₃C各结构，并进一步分析热力学稳定性，发现B₄C相比Fe₃C和Fe₂B相稳定性低，跟实验结果一致。本案例的研究具有非常重要的科学意义，为日后进一步研究复合涂层材料打下了坚实的基础。

参考文献：

R. Salloom,et. al. Laser surface engineering of B₄C/Fe nano composite coating on low carbon steel: Experimental coupled with computational approach. Materials and Design 190 (2020) 108576

使用MedeA模块:  

• Welcome to MedeA Bundle

• MedeA-VASP

• MedeA-Phonon