【摘要】 通过描述第一性原理计算非常适合的基层电子相互作用、键合和杂化，在原子水平上理解这两个关键步骤非常重要。

钛及其合金是重要的工程材料，因为它们的密度低、在大温度范围内具有高强度、出色的生物相容性和出色的耐腐蚀性，即使在非常具有挑战性的环境中也是如此。钛可以通过与其他过渡合金进一步强化金属。Ti-6Al-4 V（6 wt.%Al，4 wt.%V，其余为 Ti）是“主力”钛合金；它占钛市场的大部分，特别是在航空航天工业。Ti-6Al-4 V是一种α-β合金，结合了高冲击强度、抗疲劳和抗裂性以及令人印象深刻的延展性和可焊性。铝使有助于高强度的α相稳定。钒稳定了β相，它具有良好的延展性和断裂韧性。

钛可以溶解高达14.5 wt.%的氧气和脱氧过程既繁琐又昂贵。虽然商业钛合金中的少量氧（<0.4 wt.%）通过固溶强化提高了机械性能，但更高的氧含量会导致严重的脆化和延展性损失。此外，钛在熔融状态下吸收的氧含量明显更高，这对增材制造和熔模铸造等几种生产工艺是有害的。因此，了解钛氧化的机制极为重要。因此，通过描述第一性原理计算非常适合的基层电子相互作用、键合和杂化，在原子水平上理解这两个关键步骤非常重要。

我们使用基于密度泛函理论(DFT)的从头算模型全面描述了氧如何与钛和含有钒和铝的钛表面相互作用。最近，我们结合 DFT 和从头算热力学来探索各种氧化钛、氮化物和氢化物化学计量的稳定性。我们创建了表面相图钛作为温度和氧、氢和氮分压的函数。我们在这里展示了氧原子如何与掺杂铝或钒的钛相互作用。我们的发现在电子/原子水平上证实了几十年来已知的事实：与纯钛相比，含有铝和钒的商用钛合金（如Ti-6Al-4 V）具有更好的抗氧化性。本文开发的方法为开发具有不同合金元素的其他钛合金提供了必要的指导，这些钛合金可以设计用于现有商业合金可能不适合的特定新型应用。

我们进行了第一性原理计算，以了解掺有铝和钒的钛表面上氧调节的机制。我们的发现从原子水平解释了为什么Ti-6Al-4V（6wt.%Al，4wt.%V，balance Ti）等钛合金比商业纯钛具有更好的抗氧化性。我们确定了基态的位置，氧原子的相关形成（吸附）能量，以及它们在体中的迁移路径。我们还探讨了合金表面的浓度依赖性构型稳定性与氧迁移能之间的关系。我们的结果表明，氧原子集中在表面，占据面心立方空位。发现氧迁移到钛晶格中的能量屏障相对较高，表明此类掺杂剂在氧化环境中提供钝化效果。