镍/铁/铝对铜晶界氢行为的调控机制：固溶、扩散与捕获机理

这篇研究通过第一性原理计算，系统揭示了Ni/Fe/Al合金元素对铜( Cu )晶界( GBs )中氢( H )行为的调控规律。研究发现Σ5(210)[001]和Σ9(221)[110]晶界可作为氢的快速扩散通道和捕获位点，而Σ3(111)[110]晶界能抑制氢脆( HE )。Ni/Fe通过降低氢迁移势垒( 0.17–0.41 eV )促进氢捕获，Al则呈现相反效应，为设计抗氢脆铜合金提供了理论依据。

　　

Highlight
本研究采用密度泛函理论(DFT)计算，揭示了镍(Ni)、铁(Fe)、铝(Al)三种关键合金元素对铜(Cu)晶界(GBs)中氢(H)行为的调控机制。

Computational methods and models
所有计算通过维也纳第一性原理模拟软件包(VASP)完成，采用广义梯度近似(GGA)下的PBE泛函处理电子交换关联作用，平面波截断能设置为350 eV。

The solution behaviors of H at Σ3, Σ5 and Σ9 GBs
氢在Σ3晶界的固溶能(0.34 eV)高于铜体相，而在Σ5和Σ9晶界分别降低至0.20 eV和0.23 eV，表明后两者更易捕获氢。

Discussion
图7显示Ni/Fe能将氢迁移势垒降低至0.17–0.41 eV，促进氢从晶内向晶界扩散并被捕获（单个Ni/Fe原子可捕获6个H原子），而Al会轻微提高氢的稳定性。

Conclusion
Σ5(2₁0)[001]和Σ9(2₂1)[110]晶界是氢的"高速公路"兼"陷阱"，Σ3(₁11)[110]晶界则是氢扩散的"路障"。通过调控Σ3晶界比例和Ni/Fe掺杂，可显著提升铜合金抗氢脆(HE)性能。