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(guó)

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

鈦合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能以及耐高溫、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1—3］。長(zhǎng)久以來(lái)，氫元素的富集一直被認(rèn)為是導(dǎo)致鈦合金發(fā)生氫脆的主要原因;而近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)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(xué)者Zwiecker和Schleicher發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)含量的氫有利于改善鈦合金熱壓力加工性能;李曉華［5］發(fā)現(xiàn)一定含量的氫可以明顯減小鈦合金的高溫變形流變應(yīng)力，如氫含量為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，流變應(yīng)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(guò)求解多粒子體系的薛定諤方程來(lái)研究體系的電子結(jié)構(gòu)［6］。劉林飛［7］等人借助第一原理贗勢(shì)平面波的方法，計(jì)算出了C，N，O在α鐵中的擴(kuò)散激活能，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的誤差小于6.2%;尚家香［8］等人通過(guò)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(duì)鍵合作用的影響，預(yù)測(cè)H在B2-NiAl/Cr體系中主要占據(jù)Cr的四面體間隙位置。

本研究采用第一性原理方法對(duì)Ti-H體系的幾何結(jié)構(gòu)和電子能量進(jìn)行計(jì)算，研究不同氫含量對(duì)Ti-H體系結(jié)構(gòu)和能量變化的影響。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型

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