Itritija un skābekļa nogulsnējumu fcc-Fe kristālrežģī modelēšana no pirmajiem principiem

Abstract

Izkliedēto oksīdu stiprinātie (Oxides Dispersed Strengthened, ODS) tēraudi tiek uzskatīti par perspektīviem materiāliem nākotnes kodolsintēzes reaktoriem. Oksīdu tēraudu izmantošana ļauj palielināt reaktora darba temperatūru par 100℃, kas ievērojami uzlabo tā efektivitāti. Kā itrija oksīda daļiņu izmēri, tā arī telpiskais sadalījums, kas var ietvert, piemēram, titāna atomus, kas dabiski izplatās tēraudos, ietekmē ODS metālu mehāniskās īpašības un to izturību pret starojumu. Tomēr oksīdu daļiņu veidošanās mehānismi ODS tēraudos vēl nav pilnībā noskaidroti. Detalizēta defekta modelēšana ar skaldnes centrētu kubisko (face centred cubic, fcc) Fe režģi tika veikta, izmantojot blīvuma funkcionāļa teorijas projicēto paplašināto viļņu (Density Functional Theory Projector Augmented Wave, DFT PAW) metodi, kas ieviesta VASP datora programmā. Šajā darbā ir veiktas atsevišķas vakances, O un Y piemaisījumu aprēķini. Mijiedarbība starp vakanci, O un Y ir aprēķināta kopā ar saites enerģijas novērtējumu starp šiem defektiem. Mijiedarbība starp vairākiem defektiem ir arī aprēķināta. Migrācijas barjeras ir novērtētas, izmantojot kustinošas elastīgās joslas (Nudged Elastic Band, NEB) metodi. Sakarā ar to, ka tēraudos ir nelielās koncentrācijās Ti piemaisījumi, kas var veidot gan TiO, gan YTiO nogulsnes, tika veikti arī papildu pirmo principu aprēķini attiecīgajos modeļos. Veikto aprēķinu rezultāti atklāj galvenos faktorus, kas veicina ODS tēraudu veidošanos. Atslēgvārdi: ODS tēraudi, fcc-Fe, pirmo principu DFT PAW aprēķini, saites enerģija

The oxide dispersed strengthened (ODS) steels are considered as the promising structural materials for future fusion reactors. The implementation of ODS steels allows increasing the operating temperature of the reactor by 100℃, which noticeably improves its efficiency. Both size and spatial distribution of the yttrium oxide particles, which can include, e.g., Ti atoms naturally distributed in steels, affect the mechanical properties of the ODS steels and their radiation resistance. However, the mechanisms of oxide particle formation in ODS steels are not fully understood yet. The detailed modeling of the defect in the face centered cubic (fcc) Fe lattice has been performed using the DFT PAW (Density Functional Theory Projector Augmented Wave) method as implemented in the VASP computer code. Within the framework of this work the calculations of single vacancy, O, and Y impurities have been performed. Pair-wise interactions between vacancy, O, and Y have been calculated along with the assessment of the binding energies between these defects. The interactions between multiple defects have also been calculated. Migration barriers have been assessed using the NEB (Nudge Elastic Band) method. Due to an initial presence of low-concentration Ti impurities in steels, which can form both TiO and YTiO precipitates, additional first principles calculations on the corresponding models have been carried out too. The results of performed calculations reveal the major factors contributing in the formation of the ODS steels. Keywords: ODS steels, fcc-Fe, first-principles DFT PAW calculations, binding energy