TiCrTaV多组元合金氢行为和力学性质的第一性原理研究

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TiCrTaV难熔多组元合金由低活化元素组成,具有较低的热中子吸收截面和优异的抗辐照性能,有望成为聚变堆结构材料。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,从原子层面研究TiCrTaV多组元合金中两种BCC结构相(BCC1Ti23Cr25Ta23V29和BCC2 Ti27Cr27Ta18V28)的电子结构、力学性质和氢行为。(1)两种BCC结构均可以稳定存在,BCC1结构表现出更好的延展性,BCC2结构具有更强的抗变形能力,两种结构中同时存在共价键和金属键,BCC2结构的键合作用更强,热稳定性更好,Ta原子参与形成的化学键共价键特性更明显。研究发现VCA和SQS均可以很好的预测合金的晶格常数、力学性质,SQS方法可以深入研究不同原子间的电荷转移和成键特性,VCA方法不能深入研究电子结构和原子成键特性。(2)从能量角度和局域晶格畸变角度都无法确定氢原子在两种BCC结构中的优先占位。通过对不同间隙位氢原子的溶解热和局域晶格畸变求平均值发现,四面体间隙位(TI)略微优于八面体间隙位(OI)。与传统金属β-Ti、Ta、V、V-Ti、W相比,氢原子在TiCrTaV合金两种BCC结构TI的平均溶解热较高,表明TiCrTaV合金的两种BCC具有一定的抵抗氢原子溶解的能力。当OI不含Ti原子时,H原子的溶解热较大;当OI间隙Ti原子含量≥0.5时,H原子的溶解热ESbulk≤-0.3 e V;当TI间隙Ta原子含量为0.5时,氢原子的溶解热ESbulk>-0.2e V;当TI间隙Ti原子含量为0.75时,氢原子的溶解热ESbulk<-0.3 e V。在两种BCC中氢原子分别沿着<010>和<110>两个方向的OI-OI和TI-TI扩散路径都很难长程扩散,表明TICr Ta V合金的两种BCC结构中氢原子很难聚集形成氢泡。(3)氢原子的渗入导致两种BCC结构的抗变形能力增强,韧性降低,共价键的键合强度增强。氢位于四面体间隙位更有利于增强键合强度。氢原子形成的化学键具有共价键特性和金属键特性。
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