научная статья по теме ПАССИВИРУЮЩАЯ ПЛЕНКА КАК СТРУКТУРИРОВАННЫЙ ТВЕРДЫЙ РАСТВОР МОЛЕКУЛ ОКСИДОВ СПЛАВА. ЭФФЕКТЫ ЕГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ (УПОРЯДОЧЕНИЯ ИЛИ РАССЛОЕНИЯ) Химия

Текст научной статьи на тему «ПАССИВИРУЮЩАЯ ПЛЕНКА КАК СТРУКТУРИРОВАННЫЙ ТВЕРДЫЙ РАСТВОР МОЛЕКУЛ ОКСИДОВ СПЛАВА. ЭФФЕКТЫ ЕГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ (УПОРЯДОЧЕНИЯ ИЛИ РАССЛОЕНИЯ)»

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 4, с. 346-359

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ

__ГРАНИЦАХ И ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ. _

--ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ. -

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

УДК 620.193.013

ПАССИВИРУЮЩАЯ ПЛЕНКА КАК СТРУКТУРИРОВАННЫЙ ТВЕРДЫЙ РАСТВОР МОЛЕКУЛ ОКСИДОВ СПЛАВА. ЭФФЕКТЫ ЕГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ (УПОРЯДОЧЕНИЯ ИЛИ РАССЛОЕНИЯ)1

© 2007 г. Ю. В. Алексеев*' **, И. Ю. Алексеев***

*ФГУПНаучно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова 103064 Москва, ул. Воронцово поле, 10 **Институт высоких температур РАН ***ФГУП Научно-исследовательский институт точных приборов E-mail: alekseevlevgeorg@rambler.ru Поступила в редакцию 23.08.2005 г.

Исследование относится к пассивирующим пленкам, которые можно моделировать твердым раствором оксидов сплава друг в друге. Модель неструктурированного ("регулярного") раствора позволяет объяснить зависимость скорости растворения сплава Fe-Cr при концентрациях Cr более 0.2. атомных долей. "Иррегулярная" модель раствора, учитывающая структурирование сплава вследствие взаимодействия между его компонентами, объясняет ее при концентрации ниже 0.2. Исследуются физические эффекты, предсказываемые этой моделью: превышение скорости растворения сплава над скоростью растворения наиболее активного из его компонентов, разные механизмы легирования при разных типах взаимодействия компонентов, а также "кинетическую метастабиль-ность" и ее роль в инициировании питтингов некоторыми примесями.

PACS: 81.65.Rv, 82.45.Bd

ВВЕДЕНИЕ

В предшествующей публикации [1] была предложена термодинаминаческая модель твердого раствора оксидов, учитывающая его структурирование, и соответствующая ей кинетическая модель пассивного растворения сплава. Эти модели являются более точными в сравнении с разработанными нами ранее термодинамической [2] и кинетической [3, 4], в которых структурирование не учитывалось. В настоящей работе результаты теоретической модели пассивного растворения сплава [1] будут сопоставлены как с результатами этой более простой модели, так и с экспериментальными данными [4] о зависимости скорости растворения от состава пассивного сплава Fe-Cr.

В предшествующих работах [1-4] мы использовали традиционную в классификации растворов терминологию, подразделяющую их на идеальные, регулярные и нерегулярные, которая не соответствует приписываемым им физическим

1 Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 05-0333146).

свойствам, определяемым характером взаимодействия их компонентов.

Удачным можно признать лишь термин идеальный раствор, соответствующий отсутствию взаимного влияния компонентов, что обусловлено одинаковым взаимодействием между частицами "своего" и "чужого" компонента. Действительно, в этом случае распределение частиц компонентов хаотично, т.е. таково же, как и в смеси идеальных газов. К идеальным можно отнести, например, раствор изотопов одного и того же металла.

Различия во взаимодействиях между компонентами приводит, согласно Гугенгейму к локальному структурированию, означающему предпочтительное расположение рядом частиц либо своего, либо чужого компонента и приводящему к образованию структурированных доменов. С ростом температуры тепловое движение приводит к уменьшению их характерного масштаба. И когда характерный размер доменов снижается до межатомного, раствор переходит в неструктурированное, хаотическое состояние (имеющее ту же энтропию, что и идеальный), традиционно именуемое "регуляр-

ным". При этом структурированный раствор именовался "нерегулярным" [1].

Слова же "регулярный" и тем более "нерегулярный" в их русском значении не столько синонимы, сколько омонимы исходных латино-ан-глийских Чп^у1аг" и Чп^у1аг", а значит терминами быть они просто не могут.

Во избежание искажения физической картины процессов в растворах, мы впредь будем именовать "регулярный" раствор неструктурированным, а "нерегулярный" - структурированным.

Возможны два типа структурирования. В случае относительного отталкивания компонентов, когда энергетически выгоднее находиться по соседству друг с другом частицам одного компонента, система стремится к расслоению на индивидуальные фазы, а в случае относительного притяжения, когда частицам разных компонентов выгоднее располагаться подобно ионам в решетке №С1, т.е. система стремится к упорядочению (избыточный компонент образует индивидуальную фазу). В обоих случаях система стремится структурироваться, чему препятствует, однако, упомянутое выше тепловое движение.

1. Основные физические представления и допущения модели пассивного сплава [1-4].

1.1. Взаимодействие между компонентами в пассивирующем оксиде учитывается при моделировании неравновесной по сути пассивирующей пленки термодинамически равновесным твердым раствором "молекул" оксидов его компонентов. В [1] и [3] были предложены термодинамические модели смешанного оксида как твердого неструктурированного и структурированного растворов, соответственно.

В обеих мерой взаимного влияния служит энтальпия смешения, которая для бинарного сплава компонентов 1 и 2 в расчете на одну молекулу определяется соотношением (компонентом 1 будем считать более стойкий (Сг в сплаве Fe-Cr)):

Н12 = I (2 #12- Н „- Н 22), (1а)

где т - число ближайших соседей, Ну - энтальпия в расчете на одну парную связь / - у (/, у = 1, 2).

Если величины Н11 и Н22, связанные с энтальпиями Н1 и Н2 оксидов компонентов в индивидуальном состоянии ^Н1 = 1Н11, Н2 = т-Н22^ могут быть

для некоторых случаев взяты из термодинамических таблиц, то таковая информация отсутствует

для смешанных оксидов, так что величину Н12, а согласно (1а), и энтальпию смешения Н12 будем

считать параметром подгонки, значения которого будем варьировать в физически правдоподобном интервале значений.

В обе модели Н12 входят только в составе безразмерного параметра структурирования

612 = р-2, А12 = — = 2Н12-Н11- Н22. (16) к! т

2

Положительный знак параметра структурирования (и энтальпия смешения) означает, что энергетически выгоднее связи "свой-свой", т.е. имеет место относительное отталкивание компонентов, а их отрицательный знак свидетельствует о противоположном эффекте - относительном притяжении компонентов. В обоих случаях различия в энергиях парных связей приводит к структурированию, тем большему, чем больше (по модулю) параметр структурирования, т.е. чем слабее хао-тизирующее влияние теплового движения молекул. Напомним, что модель неструктурированного раствора получается из более реалистичной модели структурированного раствора в приближении малых значений параметра структурирования 612 [5].

1.2. Кинетические модели пассивного растворения сплава и учет взаимодействий пленки с электролитом. Используя теорию активированного комплекса [6], мы от термодинамических моделей "смешанного" оксида перешли к кинетическим, которые будем именовать, соответственно, кинетической моделью растворения пассивирующего неструктурированного [3] и структурированного пассивирующего оксида [1]. Эти модели позволяют связать скорости растворения компонентов пассивного сплава с концентрациями его компонентов на границе с раствором и со скоростями /10 и /20 растворения компонентов в пассивном состоянии индивидуальных металлов /10 и /20, значения которых мы будем брать из эксперимента (в нашем случае: /10 = 1.4 х 10-4 А/м2 для Сг и /20 = 6.5 х 10-2 А/м2 для Fe [4, 7]).2

Их значения определяются взаимодействием оксидов с компонентами электролита, которые предполагаются одинаковыми при одинаковых составах электролита для компонентов сплава как в их чистом виде, так и в составе сплава.

2 Эти значения можно брать из любой корректной теоретической модели пассивности металла.

В модели неструктурированного пассивирующего оксида [3]:

и = ¿¿оXехР[«А2( 1- X) ], 1 = 1, 2;

= Я^/кТ;

Х2 = 1,

1 = 11 + ¿2

а < 1,

X,

12

х9 = 1;

(2)

где х, - концентрации (в мольных долях) "молекул" оксидов компонентов сплава на границе оксидная пленка-электролит, а а, - коэффициенты переноса электрохимических реакций растворения оксидов из пленки.

Парциальные и общая скорости растворения в модели структурированного пассивирующего оксида [1]:

¿1 ¿10 х1ГЪ Г1

¿2 ¿20 Х2 Г2

+ 2 х1 - 1 _ х1 ( г + 1 ) .

г + 2 х2 - 1" Х2 ( г + 1 ) ]

ахт ~2~

(3)

= + 4 х1 х2 Е

12

Е12 =

^2 кТ

-1,

где Г и Г2 - "кинетические коэффициенты активности". Число т ближайших соседей для твердого раствора практически одинаковых молекул оксидов компонентов сплава будем считать примерно таким же, что у "правильных" жидкостей, т.е. приблизительно равным 8. Учитывая, что этот параметр входит в (2) и (3) в комбинации с коэффициентами переноса аг- ~ 2 , будем полагать mаi = 4.

1.3. Стационарное растворение сплава. В [3] было показано, что входящие в предыдущие формулы значения концентраций оксидных компонентов пленки х ¿, которые сами являются функциями процесса, в стационарном случае могут быть вычислены через концентрации компонентов сплава хю. Действительно, в условие стационарности

(4)

20

входят парциальные скорости, которые, согласно (2) или (3), зависят от х, т.е. х^ и х0 связаны соотношением (4). А это эквивалентно утверждению, что х, неявно зависят от концентраций компонентов сплава. А поскольку все описывающие состояние пассивного сплава величины (2), (3) зависят от хг, то и они, в силу (4), будут являться неявными функциями состава сплава хю. Эти зависимости в нашем случае не представимы аналитически, но существующие численные методы позволяют

провести расчеты на компьютере и представить искомые зависимости графически. Последующее изложение посвящено анализу таким образом представленных результатов модели растворения структурированного пассивирующего смешанного оксида и возможных экспериментальных эффектов, связанных с ними.

2. Сопоставление результатов моделей растворения пассивного сплава, использующих представления об оксиде пленки как о структурированном [1] или неструктурированном [3] растворах.

На рис. 1 приведены результаты сопоставления экспериментальных данных [4, 7] скорости растворения пассивного сплава Fe-Cr в зависимости от концентрац

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком