钇掺杂增强高铬铸铁中M7C3/α-Fe界面结合性：实验与第一性原理研究

本文针对过共晶Fe-Cr-C合金中初生M7C3碳化物易剥落导致材料过早失效的难题，通过钇(Y)掺杂开展了界面强化研究。研究人员结合显微结构分析和第一性原理计算，发现Y元素可细化碳化物尺寸并显著提升界面结合功(达1.654 J/m2)。该研究为开发高耐久性Fe-Cr-C合金提供了新策略。

　　

在工业应用领域，过共晶Fe-Cr-C合金因其优异耐磨性被广泛用于关键耐磨部件。然而这些材料长期面临一个致命缺陷——在服役过程中，初生M₇C₃碳化物容易从α-Fe基体中剥落，导致材料过早失效，严重缩短使用寿命。这一界面结合弱化问题已成为制约该合金性能提升的技术瓶颈。

为解决这一难题，来自燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室的研究团队在《Materials》上发表了创新性研究。他们独辟蹊径地采用稀土钇(Y)掺杂策略，通过多尺度研究手段深入揭示了Y元素对M₇C₃/α-Fe界面结合的增强机制。

研究团队采用光学显微镜和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)对Fe-Cr-C和Fe-Cr-C-Y合金的微观结构进行系统表征，同时结合第一性原理计算从原子尺度解析界面特性。这种实验与理论计算相结合的研究方法，使得研究人员能够从宏观形貌到电子结构层面全面理解Y掺杂的界面改性效果。

微观结构特征

实验结果显示，Y元素的添加显著改变了初生M₇C₃碳化物的形貌特征。与未掺杂合金相比，Fe-Cr-C-Y合金中的碳化物尺寸明显减小，且尺寸分布更为均匀。高分辨透射电镜分析进一步揭示了Y在界面区域的分布特征，为理解其界面强化机制提供了直接证据。

界面构型与稳定性

理论研究方面，研究人员构建了α-Fe(111)/Fe₃Cr₄C₃(1010)界面模型，识别出三种不同的界面构型：Fe-Fe、Cr-Fe和C-Fe。通过系统计算发现，Cr-Fe构型表现出最高的热力学稳定性，其界面结合功为1.654 J/m²，界面能低至-1.630 J/m²，这一发现为理解界面稳定性提供了理论依据。

Y掺杂界面模型

基于最稳定的Cr-Fe界面构型，研究团队进一步构建了两种Y掺杂模型（Cr-FeI和Cr-FeII）。电子结构分析表明，Cr-FeII系统呈现出更广泛的电子累积区和更强的界面结合强度。差分电荷密度计算直观展示了Y掺杂后界面处化学键合特性的变化，揭示了界面强化效应的电子层面起源。

讨论与意义

本研究通过实验与理论计算的有机结合，明确了Y掺杂在提升M₇C₃/α-Fe界面结合性能方面的双重作用：一方面，Y元素细化碳化物尺寸，改善其分布均匀性；另一方面，通过调制界面电子结构，增强界面结合强度。这种界面工程策略为解决过共晶Fe-Cr-C合金的过早失效问题提供了新思路，对开发高性能耐磨材料具有重要指导意义。

研究的创新性在于首次系统揭示了Y掺杂对M₇C₃/α-Fe界面的微观作用机制，建立了工艺参数-界面结构-性能的关联规律。这不仅深化了对稀土元素在铁基合金中作用机理的认识，也为通过界面设计提升材料性能提供了理论依据和实践范例。该研究成果对推动高性能Fe-Cr-C合金在苛刻工况下的应用具有重要价值，为材料设计提供了新的研究方向。