Identification of hydrogen trapping in aluminum alloys muon spin relaxation method and first-principles calculations

ミュオンスピン緩和法と第一原理計算によるアルミニウム合金中の水素トラップの同定

都留 智仁   ; 西村 克彦*; 松田 健二*; 布村 紀男*; 並木 孝洋*; Lee, S.*; 髭本 亘  ; 松崎 禎市郎*; 山口 正剛   ; 海老原 健一   ; 清水 一行*; 戸田 裕之*

Tsuru, Tomohito; Nishimura, Katsuhiko*; Matsuda, Kenji*; Nunomura, Norio*; Namiki, Takahiro*; Lee, S.*; Higemoto, Wataru; Matsuzaki, Teiichiro*; Yamaguchi, Masatake; Ebihara, Kenichi; Shimizu, Kazuyuki*; Toda, Hiroyuki*

高強度Al合金の水素脆化感受性は、Al合金の実用化において重要な課題として認識されているが、水素のトラップまたは分布の特定は困難であった。本研究では、実験とシミュレーションに基づいた効果的なアプローチにより、Al合金中の潜在的なトラップサイトを探索することを提案する。Al-0.5%Mg, Al-0.2%Cu, Al-0.15%Ti, Al-0.011%Ti, Al-0.28%V, Al-0.015%V (at.%)に対して、5から300Kの温度範囲でゼロフィールドミュオンスピン緩和実験が行われた。双極子場の幅の温度変化から、Al-0.5%Mgに3つのピーク、Al-0.2%Cuに4つのピーク、Al-0.011%TiとAl-0.015%Vに3つのピークがあることが明らかにされた。観測されたピークに対応するミュオントラップサイトの原子配置は、溶質及び溶質-空孔ペア周りの水素のトラップエネルギーに対する第一原理計算を用いてよく同定された。ミュオンピーク温度とトラップエネルギーの間に線形関係が抽出されたことにより、Al合金において水素と強い結合エネルギーを持つ合金元素とその複合体の可能性を探ることができる。

Although hydrogen embrittlement susceptibility of high-strength Al alloys is recognized as a critical issue in the practical use of Al alloys, identifying the hydrogen trapping or distribution has been challenging. In the present study, an effective approach based on experiment and simulation is proposed to explore the potential trap sites in Al alloys. Zero-field muon spin relaxation experiments were carried out for Al-0.5%Mg, Al-0.2%Cu, Al-0.15%Ti, Al-0.011%Ti, Al-0.28%V, and Al-0.015%V (at.%) in the temperature range from 5 to 300 K. The temperature variations of the dipole field widths have revealed three peaks for Al-0.5%Mg, four peaks for Al-0.2%Cu, three peaks for Al-0.011%Ti and Al-0.015%V. Atomic configurations of the muon trapping sites corresponding to the observed peaks are well assigned using the first-principles calculations for the trap energies of hydrogen around a solute and solute-vacancy pair. The extracted linear relationship between the muon peak temperature and the trap energy enables us to explore the potential alloying elements and their complex that have strong binding energies with hydrogen in Al alloys.