First-principles analysis of the stability and hydrogen adsorption properties of the α-Ti/α2-Ti3Al interface towards clarified hydrogen embrittlement mechanism of titanium alloys

氢脆 材料科学 吸附 脆化 机制(生物学) 冶金 化学 物理化学 腐蚀 物理 有机化学 量子力学
作者
Shuhui Chen,Min Liu,Christofer Leygraf,Feifei Huang,Lin Fan,Li Ma,Ying Jin
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:72: 338-348 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2024.05.173
摘要

First-principles calculations were employed to investigate the adsorption and diffusion energy of hydrogen (H) in the Ti/Ti3Al binary system, along with the evolution of the interfacial stability induced by the presence of H. The penetration energy barrier indicates that H can more easily penetrate the substrate through the Ti/Ti3Al interface. The formation energy of H increases with distance from the interface and the Ti/Ti3Al interface acts as a sink for trapping hydrogen interstitials. When all interstitial sites are completely occupied by H, the cleavage energy along the interface decreases from 1.935 to 1.094 J/m2, suggesting that H doping significantly reduces the strength of the Ti-Ti3Al (01–10) interface. When the area density of H-doping at the interface exceeds 0.37 atoms/Å2, the α-Ti lattice expands. Consistent with experimental observations, this triggers atomic migration and the generation of Ti-hydrides. Further analysis of the atomic structure and Bader charge transfers indicate that the interaction of Ti and H can alter the localized electronic structure of Al, leading to a weakened interface due to loss of interface bond strength. In summary, the theoretical calculations have provided new insights into possible hydrogen embrittlement (HE) mechanism in titanium alloys.
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