Journal of Experimental and Theoretical PhysicsJournal of Experimental and Theoretical Physics0044-45103034-641XRussian Academy of Science10.31857/S0044451024060075MEKhANIZMY DIFFUZII ZhELEZA V α-TiМЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ ЖЕЛЕЗА В α-TiGorevN. D.ГоревН. Д. gorev_n_d_noemail@ras.ruBakulinA. V.БакулинА. В. bakulin_a_v_noemail@ras.ruKul'kovaS. E.КульковаС. Е. kul'kova_s_e_noemail@ras.ruИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Национальный исследовательский Томский государственный университетИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Национальный исследовательский Томский государственный университет010620241656807817

В рамках теории переходного состояния и метода проекционных присоединенных волн проведено изучение механизмов диффузии железа в α-Ti. Рассчитаны энергии образования дефектов внедрения и замещения, а также барьеры миграции железа в α-Ti вдоль возможных путей как по междоузельному, так и вакансионному механизму. Подтверждено, что наиболее предпочтительной позицией для внедрения атома железа является краудион, энергия образования которого лишь на 0.17 эВ выше, чем образование дефекта замещения титана железом. Методом Лэндмана получены аналитические выражения для температурных коэффициентов диффузии железа в двух кристаллографических направлениях для междоузельного механизма. В целом коэффициенты диффузии железа в α-Ti и ее анизотропия согласуются с экспериментальными данными, тогда как соответствующие коэффициенты диффузии для вакансионного механизма на несколько порядков меньше. Полученные результаты позволяют заключить, что аномально быстрая диффузия железа в α-Ti обусловлена междоузельным механизмом.

В рамках теории переходного состояния и метода проекционных присоединенных волн проведено изучение механизмов диффузии железа в α-Ti. Рассчитаны энергии образования дефектов внедрения и замещения, а также барьеры миграции железа в α-Ti вдоль возможных путей как по междоузельному, так и вакансионному механизму. Подтверждено, что наиболее предпочтительной позицией для внедрения атома железа является краудион, энергия образования которого лишь на 0.17 эВ выше, чем образование дефекта замещения титана железом. Методом Лэндмана получены аналитические выражения для температурных коэффициентов диффузии железа в двух кристаллографических направлениях для междоузельного механизма. В целом коэффициенты диффузии железа в α-Ti и ее анизотропия согласуются с экспериментальными данными, тогда как соответствующие коэффициенты диффузии для вакансионного механизма на несколько порядков меньше. Полученные результаты позволяют заключить, что аномально быстрая диффузия железа в α-Ti обусловлена междоузельным механизмом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-23-00097). Численные расчеты проводились на суперкомпьютере СКИФ Cyberia в Томском государственном университете.Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-23-00097). Численные расчеты проводились на суперкомпьютере СКИФ Cyberia в Томском государственном университете.C. Leyens and M. Peters, Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2003).M. J. Donachie, Jr. Titanium. A Technical Guide (2nd ed.), ASM International, Materials Park, Ohio (2000).M. M. Stupel, M. Bamberger, and M. Ron, J. Less-Common Met. 123, 1 (1986).T. Heumann, Diffusion in Metallen: Grundlagen, Theorie, Vorgange in Reinmetallen und Legierungen, Springer-Verlag, Berlin (1992).H. Mehrer, Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes, Springer, Berlin (2007).Z. Li and W. Gao, in Intermetallics Research Progress, ed. by Y. N. Berdovsky, Nova Sci. Publ., New York (2008), p. 1.D. P. Broom, Hydrogen Storage Materials: The Characterisation of Their Storage Properties, Springer, London (2011).P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).M. J. Gillan, J. Phys. C: Solid State Phys. 20, 3621 (1987).D. Connetable, Int. J. Hydrogen Energy 44, 32307 (2019).M. G. Shelyapina, Hydrogen 3, 285 (2022).С. Е. Кулькова, А. В. Бакулин, Л. С. Чумакова, Физ. Мезомех. 25, 51 (2022).K. Klyukin, M. G. Shelyapina, and D. Fruchart, J. Alloys Compd. 644, 371 (2015).H. H. Wu, P. Wisesa, and D. R. Trinkle, Phys. Rev. B 94, 014307 (2016).А. В. Бакулин, С. С. Кульков, С. Е. Кулькова, ЖЭТФ 157, 688 (2020).E. Epifano and G. Hug, Comput. Mater. Sci. 174, 109475 (2020).D. Connetable, A. Prillieux, C. Thenot et al., J. Phys.: Condens. Matter 32, 175702 (2020).L. J. Zhang, T. I. Spiridonova, S. E. Kulkova et al., Comput. Mater. Sci. 128, 236 (2017).Y. Hu, L. Suo, Q. Long et al., Vacuum 209, 111739 (2023).N. Zou, H. J. Lu, and X. G. Lu, J. Alloys Compd. 803, 684 (2019).G. M. Hood and R. J. Schultz, Philos. Mag. 26, 329 (1972).H. Nakajima and M. Koiwa, ISIJ Int. 31, 757 (1991).L. Scotti and A. Mottura, J. Chem. Phys. 142, 204308 (2015).W. W. Xu, S. L. Shang, B. C. Zhou et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 16870 (2016).R. C. Pasianot, R. A. Perez, V. P. Ramunni et al., J. Nucl. Mater. 392, 100 (2009).R. C. Pasianot and R. A. Perez, J. Nucl. Mater. 434, 158 (2013).L. J. Zhang, Z. Y. Chen, Q. M. Hu et al., J. Alloys Compd. 740, 156 (2018).H. Nakajima, M. Koiwa, and S. Ono, Scr. Metall. 17, 1431 (1983).H. Nakajima, M. Koiwa, Y. Minonishi et al., Trans. Jpn. Inst. Met. 24, 655 (1983).H. Nakajima andM. Koiwa, in Titanium, Science and Technology, ed. by G. Lutjering, U. Zwicker, and W. Bunk, Deutsche Gesellschaft fur Metallkunde e. V., Oberursel (1984), Vol. 3, p. 1759.P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).R. M. Wood, Proc. Phys. Soc. 80, 783 (1962).G. Henkelman, B. P. Uberuaga, and H. Jonsson, J. Chem. Phys. 113, 9901 (2000).U. Landman and M. F. Shlesinger, Phys. Rev. B 19, 6207 (1979).U. Landman and M. F. Shlesinger, Phys. Rev. B 19, 6220 (1979).А. В. Бакулин, Л. С. Чумакова, С. Е. Кулькова, ЖЭТФ 160, 206 (2021).A. V. Bakulin, L. S. Chumakova, and S. E. Kulkova, Intermetallics 146, 107587 (2022).S. Ganeshan, L. G. Hector Jr., and Z. K. Liu, Acta Mater. 59, 3214 (2011).P. B. Ghate, Phys. Rev. 133, A1167 (1964).A. Y. Lozovoi, A. Alavi, and M. W. Finnis, Phys. Rev. Lett. 85, 610 (2000).S. S. Kulkov, A. V. Bakulin, and S. E. Kulkova, Int. J. Hydrogen Energy 43, 43 (2018).T. A. Manz and N. G. Limas, RSC Adv. 6, 47771 (2016).T. A. Manz, RSC Adv. 7, 45552 (2017).R. Dronskowski and P. E. Blochl, J. Phys. Chem. 97, 8617 (1993).R. Nelson, C. Ertural, J. George et al., J. Comput. Chem. 41, 1931 (2020).H. Wu, T. Mayeshiba, and D. Morgan, Sci. Data 3, 160054 (2016).B. Silvi and A. Savin, Nature 371, 683 (1994).G. Cacciamani, J. De Keyzer, R. Ferro et al., Intermetallics 14, 1312 (2006).B. Medasani, M. Haranczyk, A. Canning et al., Comput. Mater. Sci. 101, 96 (2015).V. O. Shestopal, Sov. Phys. Solid State 7, 2798 (1966).E. Hashimoto, E. A. Smirnov, and T. Kino, J. Phys. F: Met. Phys. 14, L215 (1984).N. Chen, Z. Yu, Acta Metall. Sin. 30, A112 (1994).