置氫α鈦幾何與能量的第一性原理研究

魏圣泉，鄭玉斌，王玉潔，袁寶國

（合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009）

鈦合金由于其優異的力學性能以及耐高溫、抗腐蝕性強等特點，在航空航天領域有著廣泛的應用［1—3］。長久以來，氫元素的富集一直被認為是導致鈦合金發生氫脆的主要原因;而近年來的研究發現，適當含量的氫，可以改變鈦合金的顯微組織，從而改善鈦合金的加工性能［4］。如1959年西德學者Zwiecker和Schleicher發現，適當含量的氫有利于改善鈦合金熱壓力加工性能;李曉華［5］發現一定含量的氫可以明顯減小鈦合金的高溫變形流變應力，如氫含量為0.3%（質量分數）時，流變應力峰值降低36% ～60%，變形溫度降低50℃。

基于密度泛函理論的第一性原理是基于體系的哈密頓量，通過求解多粒子體系的薛定諤方程來研究體系的電子結構［6］。劉林飛［7］等人借助第一原理贗勢平面波的方法，計算出了C，N，O在α鐵中的擴散激活能，得出的結果與實驗的誤差小于6.2%;尚家香［8］等人通過第一性原理方法研究了氫原子在B2-NiAl和Cr合金中的占位以及對鍵合作用的影響，預測H在B2-NiAl/Cr體系中主要占據Cr的四面體間隙位置。

本研究采用第一性原理方法對Ti-H體系的幾何結構和電子能量進行計算，研究不同氫含量對Ti-H體系結構和能量變化的影響。

1 計算模型和方法

1.1 計算模型

鈦具有2種同素異形體，在882.5℃以下為密排六方結構（hcp）的α鈦晶體;882.5℃至熔點間為體心立方結構（bcc）的β鈦晶體。考慮到鈦的實際應用，只取α鈦為研究對象，α鈦的理論晶格常數為:a=b=0.295 06 nm，c=0.464 78 nm，α=β=90°，γ =120°，空間群為 P63/MMC。采……