Oxidation mechanism of the intermetallic compound Ti3Al from ab initio thermodynamics

Abstract

Ab initio density-functional theory and thermodynamics calculations are combined to establish a microscopic mechanism for the oxidation of the α(2)-Ti(3)Al(0001) surface. The surface energies as functions of the chemical potentials, as well as structural relaxations and electronic densities of states, are determined. The surface phase diagram (SPD) of the α(2)-Ti(3)Al(0001) systems with different defects and at various oxygen coverages is constructed. It is found that the Al antisite defect prefers to segregate on the α(2)-Ti(3)Al(0001) surface and oxygen adsorption enhances the segregation with the formation of the surface with three Al antisites per unit surface cell (i.e. the top surface layer is full of Al atoms) at the initial stage of oxidation, accounting for the aluminum selective oxidation observed experimentally. After the initial stage of oxidation, the O-α(2)-Ti(3)Al(0001) system manifests itself with a non-uniform double-phase SPD, suggesting the competition between oxidations of the Al and Ti elements in the oxidation process. This result explains the experimentally observed second regime of oxidation in which both metal elements are oxidized.

Адсорбция кислорода на низкоиндексных поверхностях сплава Ti-=SUB=-3-=/SUB=-Al

“…Прежде всего обсудим адсорбцию кислорода на базальной плоскости (0001), поскольку имеются теоретические данные [19,20], поз-воляющие провести сопоставление результатов. Кроме того, это единственная поверхность, атомные слои ко-торой имеют стехиометрический состав, и, согласно результатам, полученным в работе [18], ее энергия понижается при сегрегации алюминия к поверхности. На рис.…”

“…Обычно более плотно упакованные по-верхности характеризуются более низкой поверхностной энергией, тогда как в данном случае определяющим оказался химический состав поверхностного слоя, а именно большее содержание атомов алюминия в этом слое. В работе [18] также отмечалось, что повышение концентрации алюминия на поверхности сплава понижа-ет поверхностную энергию.…”

“…Одной из первых теоретических работ, посвященных изучению процессов окисления поверхности сплавов, является публикация Лозового с соавторами [9], в которой изучалась адсорб-ция кислорода на поверхности NiAl(110). В настоящее время известно несколько работ [10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20], в которых рассматривались низкоиндексные поверхности сплавов Ti−Al и их взаимодействие с кислородом, при этом наиболее изученным остается сплав γ-TiAl. В [10,11] исследовалась адсорбция кислорода на поверхности γ-TiAl(111).…”

“…Имеется несколько работ [18][19][20], в которых изуча-лись микроскопические механизмы окисления стехио-метрической поверхности Ti 3 Al(0001). В [18] проводился анализ влияния антиструктурных дефектов на энергети-ческую стабильность данной поверхности, в том числе при увеличении концентрации кислорода.…”

“…В [18] проводился анализ влияния антиструктурных дефектов на энергети-ческую стабильность данной поверхности, в том числе при увеличении концентрации кислорода. Было уста-новлено, что поверхность Ti 3 Al(0001)-3Al с тремя алю-миниевыми дефектами в поверхностном слое является наиболее стабильной в пределе высоких концентраций алюминия.…”