First-principles investigation of oxygen interstitial solubility, site preference, and nucleation behavior in BCC-Fe doped with rare earth elements (Y, La, Ce)

氧气 化学物理 兴奋剂 材料科学 间质缺损 溶解度 配对 八面体 成核 结合能 密度泛函理论 结晶学 化学 氧化物 掺杂剂 等结构 协调数 稀土 键能 锰 固溶体 粘结长度 稀土元素 化学吸附 电子结构 过渡金属 表面能 无机化学 物理化学 计算化学 镧系元素 化学键
作者
Liangfu Zhou,Zeyu Wang,Kaiqi Li,Xiaoyang Fu,Rui Ma,Ruixue Tian,Jun Jie Cheng,Lei Ren
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:28 (2): 1671-1680 被引量:2
标识
DOI:10.1039/d5cp04319k
摘要

The effects of rare earth element doping (Y, La, and Ce) on the solubility, clustering, and migration behavior of interstitial oxygen atoms in body-centered cubic (BCC) iron were systematically investigated using density functional theory (DFT) calculations. The results reveal that Y and Ce exhibit higher thermodynamic stability and solubility in BCC-Fe, while rare earth doping significantly reduces the solution energy of oxygen atoms at the second-nearest neighbor (2NN) octahedral sites of rare earth atoms and promotes their effective binding. And oxygen atoms in rare earth-doped Fe crystals preferentially occupy the 2NN octahedral interstitial sites relative to the rare earth atoms, with the Y-doped system displaying the strongest oxygen solubility and electron-donating characteristics. Furthermore, an energy convex hull analysis was proposed to predict the initial coordination configurations of rare earth oxides, with predictions in good agreement with experimental data. Analyses of binding energies and energy convex hulls indicate that different rare earth dopants substantially affect the pairing sequence of oxygen clusters and the initial coordination structures during nucleation, with the predicted Y-O, La-O, and Ce-O bond lengths and coordination numbers closely matching experimental results. Migration energy barrier calculations demonstrate that rare earth elements can effectively reduce the migration barriers of oxygen atoms, promoting their segregation to more stable configurations. This study elucidates the atomic-scale mechanisms by which rare earth elements regulate solute-oxygen multiplet interactions in iron-based materials, providing a theoretical foundation for the design of high-performance ODS steels and rare earth-strengthened iron-based alloys.
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