MECHANISMS OF IRON DIFFUSION IN α-Ti

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Within the transition state theory and the projector augmented-wave method, the mechanisms of iron diffusion in α-Ti were studied. The formation energies of interstitial and substitution defects, as well as the barriers of iron migration in α-Ti along possible paths through both interstitial and vacancy mechanisms were calculated. It was confirmed that the most preferred position for an iron interstitial atom is a crowdion, which formation energy is only 0.17 eV higher than that of iron defect on titanium site. Analytical expressions for the temperature-dependent diffusion coefficients of iron in two crystallographic directions for the interstitial mechanism were obtained by the Landman method. In general, the coefficients of iron diffusion in α-Ti and its anisotropy are consistent with experimental data, while the corresponding diffusion coefficients for the vacancy mechanism are several orders of magnitude lower. The obtained results allow us to conclude that the anomalously fast diffusion of iron in α-Ti is due to the interstitial mechanism.

About the authors

N. D. Gorev

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk State University

Email: bakulin@ispms.ru
Russian Federation, 634055, Tomsk; 634050, Tomsk

A. V. Bakulin

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk State University

Email: bakulin@ispms.tsc.ru
Russian Federation, 634055, Tomsk

S. E. Kul'kova

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk State University

Author for correspondence.
Email: bakulin@ispms.ru
Russian Federation, 634055, Tomsk; 634050, Tomsk

References

  1. C. Leyens and M. Peters, Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (2003).
  2. M. J. Donachie, Jr. Titanium. A Technical Guide (2nd ed.), ASM International, Materials Park, Ohio (2000).
  3. M. M. Stupel, M. Bamberger, and M. Ron, J. Less-Common Met. 123, 1 (1986).
  4. T. Heumann, Diffusion in Metallen: Grundlagen, Theorie, Vorgange in Reinmetallen und Legierungen, Springer-Verlag, Berlin (1992).
  5. H. Mehrer, Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes, Springer, Berlin (2007).
  6. Z. Li and W. Gao, in Intermetallics Research Progress, ed. by Y. N. Berdovsky, Nova Sci. Publ., New York (2008), p. 1.
  7. D. P. Broom, Hydrogen Storage Materials: The Characterisation of Their Storage Properties, Springer, London (2011).
  8. P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
  9. M. J. Gillan, J. Phys. C: Solid State Phys. 20, 3621 (1987).
  10. D. Connetable, Int. J. Hydrogen Energy 44, 32307 (2019).
  11. M. G. Shelyapina, Hydrogen 3, 285 (2022).
  12. С. Е. Кулькова, А. В. Бакулин, Л. С. Чумакова, Физ. Мезомех. 25, 51 (2022).
  13. K. Klyukin, M. G. Shelyapina, and D. Fruchart, J. Alloys Compd. 644, 371 (2015).
  14. H. H. Wu, P. Wisesa, and D. R. Trinkle, Phys. Rev. B 94, 014307 (2016).
  15. А. В. Бакулин, С. С. Кульков, С. Е. Кулькова, ЖЭТФ 157, 688 (2020).
  16. E. Epifano and G. Hug, Comput. Mater. Sci. 174, 109475 (2020).
  17. D. Connetable, A. Prillieux, C. Thenot et al., J. Phys.: Condens. Matter 32, 175702 (2020).
  18. L. J. Zhang, T. I. Spiridonova, S. E. Kulkova et al., Comput. Mater. Sci. 128, 236 (2017).
  19. Y. Hu, L. Suo, Q. Long et al., Vacuum 209, 111739 (2023).
  20. N. Zou, H. J. Lu, and X. G. Lu, J. Alloys Compd. 803, 684 (2019).
  21. G. M. Hood and R. J. Schultz, Philos. Mag. 26, 329 (1972).
  22. H. Nakajima and M. Koiwa, ISIJ Int. 31, 757 (1991).
  23. L. Scotti and A. Mottura, J. Chem. Phys. 142, 204308 (2015).
  24. W. W. Xu, S. L. Shang, B. C. Zhou et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 16870 (2016).
  25. R. C. Pasianot, R. A. Perez, V. P. Ramunni et al., J. Nucl. Mater. 392, 100 (2009).
  26. R. C. Pasianot and R. A. Perez, J. Nucl. Mater. 434, 158 (2013).
  27. L. J. Zhang, Z. Y. Chen, Q. M. Hu et al., J. Alloys Compd. 740, 156 (2018).
  28. H. Nakajima, M. Koiwa, and S. Ono, Scr. Metall. 17, 1431 (1983).
  29. H. Nakajima, M. Koiwa, Y. Minonishi et al., Trans. Jpn. Inst. Met. 24, 655 (1983).
  30. 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.
  31. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
  32. G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
  33. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  34. R. M. Wood, Proc. Phys. Soc. 80, 783 (1962).
  35. G. Henkelman, B. P. Uberuaga, and H. Jonsson, J. Chem. Phys. 113, 9901 (2000).
  36. U. Landman and M. F. Shlesinger, Phys. Rev. B 19, 6207 (1979).
  37. U. Landman and M. F. Shlesinger, Phys. Rev. B 19, 6220 (1979).
  38. А. В. Бакулин, Л. С. Чумакова, С. Е. Кулькова, ЖЭТФ 160, 206 (2021).
  39. A. V. Bakulin, L. S. Chumakova, and S. E. Kulkova, Intermetallics 146, 107587 (2022).
  40. S. Ganeshan, L. G. Hector Jr., and Z. K. Liu, Acta Mater. 59, 3214 (2011).
  41. P. B. Ghate, Phys. Rev. 133, A1167 (1964).
  42. A. Y. Lozovoi, A. Alavi, and M. W. Finnis, Phys. Rev. Lett. 85, 610 (2000).
  43. S. S. Kulkov, A. V. Bakulin, and S. E. Kulkova, Int. J. Hydrogen Energy 43, 43 (2018).
  44. T. A. Manz and N. G. Limas, RSC Adv. 6, 47771 (2016).
  45. T. A. Manz, RSC Adv. 7, 45552 (2017).
  46. R. Dronskowski and P. E. Blochl, J. Phys. Chem. 97, 8617 (1993).
  47. R. Nelson, C. Ertural, J. George et al., J. Comput. Chem. 41, 1931 (2020).
  48. H. Wu, T. Mayeshiba, and D. Morgan, Sci. Data 3, 160054 (2016).
  49. B. Silvi and A. Savin, Nature 371, 683 (1994).
  50. G. Cacciamani, J. De Keyzer, R. Ferro et al., Intermetallics 14, 1312 (2006).
  51. B. Medasani, M. Haranczyk, A. Canning et al., Comput. Mater. Sci. 101, 96 (2015).
  52. V. O. Shestopal, Sov. Phys. Solid State 7, 2798 (1966).
  53. E. Hashimoto, E. A. Smirnov, and T. Kino, J. Phys. F: Met. Phys. 14, L215 (1984).
  54. N. Chen, Z. Yu, Acta Metall. Sin. 30, A112 (1994).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».