First-principles study of diffusion and interactions of vacancies and hydrogen in hcp-titanium

Abstract

We present a study of the stability of n-vacancies (V (n)) and hydrogens in the hexagonal close-packed titanium system computed by means of first-principles calculations. In this work, performed by using the generalized gradient approximation of density functional theory, we focused on the formation energies and the processes of migration of these defects. In the first part, the calculated formation energy of the monovacancy presents a disagreement with experimental data, as already mentioned in the literature. The activation energy is underestimated by almost 20%. The stability of compact divacancies was then studied. We show that a divacancy is more stable than a monovacancy if their migration energies are of the same order of magnitude. We also predict that the migration process in the basal plane of the divacancy is controlled by an intermediate state corresponding to a body-centered triangle (BO site). The case of the trivacancies is finally considered from an energetic point of view. In the second part, the insertion of hydrogen and the processes of its migration are discussed. We obtain a satisfactory agreement with experimental measurements. The chemical nature of the interactions between hydrogen and titanium are discussed, and we show that the H-atom presents an anionic behavior in the metal. The trapping energy of hydrogen in a monovacancy as a function of the number of hydrogen atoms is finally presented.

Diffusion anisotropy of poor metal solute atoms in hcp-Ti

“…19,[21][22][23][24] The binding energies of vacancysolute pairs for Al, Si, Ga, Ge, In, and Sn in hcp-Ti are shown in Fig. 2.…”

Interstitial diffusion of O, N, and C in α-Ti from first-principles: Analytical model and kinetic Monte Carlo simulations

“…In the last few decades, there has been an increasing utilisation of first-principles calculations on the study of vacancy-mediated diffusion, [7][8][9][10] as well as interstitial diffusion 11,12 in hcp crystals. In Wu and Trinkle's and O'Hara's articles, 11,12 ab initio calculations were used to provide data for an analytical approach called the Multi-State Diffusion (MSD) method, developed by Landman and Shlesinger, 13,14 in order to evaluate the diffusivity of interstitial elements.…”

Взаимное влияние водорода и вакансий в alpha-цирконии на энергетику их взаимодействия с металлом

“…Деградация механических свойств конструкционных материалов, обусловленная водородным охрупчивани-ем [1], стимулирует интенсивные исследования влияния водорода на атомную и электронную структуру метал-лов и сплавов [2][3][4][5][6][7][8][9]. Исследования твердого раствора ниобий−водород методами электронно-позитронной ан-нигиляции, дифракции рентгеновского излучения и про-свечивающей электронной микроскопии [3,4] показали, что растворение водорода способствует образованию ва-кансий с последующим формированием сложных комп-лексов водород-вакансия, структура которых зависит как от концентрации водорода в металле, так и от спосо-ба его введения.…”

“…Исследования твердого раствора ниобий−водород методами электронно-позитронной ан-нигиляции, дифракции рентгеновского излучения и про-свечивающей электронной микроскопии [3,4] показали, что растворение водорода способствует образованию ва-кансий с последующим формированием сложных комп-лексов водород-вакансия, структура которых зависит как от концентрации водорода в металле, так и от спосо-ба его введения. Теоретические исследования металлов с кубической структурой [5][6][7], а также ГПУ металлов Ti [8] и Zr [9] выявили, что наличие водорода и вакансий в решетке металлов приводит к формированию различ-ных комплексов водород−вакансия. Очевидно, что на-копление этих комплексов может явиться дополнитель-ным фактором водородного охрупчивания материалов.…”

“…5 представлены результаты расчетов энергии связи водорода с вакансией в цирконии. Отрицательное значение этой величины в системе Zr−H ν свидетель-ствует о неустойчивом положении водорода в вакансии, что уже отмечалось при обсуждении эффектов релакса-ции, и согласуется с результатами расчетов для Ti [8] и Zr [9]. В cлучае расположения водорода в междоуз-лиях величина E H−ν варьируется от 0.086 до 0.244 eV.…”