Исследователи LLNL представили новую информацию о роли влажности в коррозии алюминия с помощью суперкомпьютера Ruby

Dec 09, 2023

7 июня 2023 г.

7 июня 2023 г. — Ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) провели моделирование с использованием суперкомпьютера Ruby, чтобы раскрыть физические механизмы, объясняющие, почему влажность контролирует скорость атмосферной коррозии металлического алюминия. Их исследование опубликовано в журнале ACS Journal of Applied Materials and Interfaces.

Точные прогнозы срока службы алюминиевых компонентов зависят от оценок скорости коррозии. Модели инженерного масштаба, используемые для прогнозирования срока службы на уровне системы, выражаются в терминах связанных физических и химических механизмов, включая сорбцию, транспорт и химические реакции. Эти механизмы по своей сути являются многомасштабными, что усложняет как разработку, так и калибровку модели.

Скорость атмосферной коррозии алюминия зависит от относительной влажности, которая измеряет количество воды, присутствующей в виде пара вокруг детали. Понимание того, какие процессы вызывают эти эффекты скорости, может помочь ограничить форму инженерных моделей срока службы с точки зрения фундаментальных физических параметров.

Когда голые алюминиевые поверхности подвергаются воздействию воздуха, они быстро реагируют с образованием оксида алюминия. Водяной пар из окружающего влажного воздуха затем адсорбируется на этих оксидных поверхностях, образуя наноскопическую пленку, толщина которой зависит от относительной влажности. Конденсированная поверхностная вода обеспечивает среду для растворения ионов металлов и их перемещения посредством диффузии, что важно для образования и роста коррозионных язв, но ограниченные наноскопические размеры могут вызывать необычные эффекты.

Чтобы лучше понять, как ионы алюминия ведут себя в воде на поверхностях, команда обратилась к моделированию полноатомной молекулярной динамики (МД). MD делает сравнительно мало предположений относительно того, как взаимодействуют атомы, и непосредственно моделирует траекторию движения атомов, которую можно подвергнуть последующей обработке для получения данных о свойствах материала.

«Поскольку диффузионный транспорт — сравнительно медленный процесс, нам пришлось тщательно выбирать, как моделировать атомные взаимодействия», — сказал ученый LLNL Мэтт Крунблауд, соавтор исследования. «Классическая реактивная молекулярная динамика предлагает желательный компромисс между точностью и доступными временными масштабами. Использование реактивной МД означало, что нам не нужно было предполагать структуру водных частиц алюминия или конкретный химический состав поверхности оксида».

В ходе моделирования команда заметила, что ионы алюминия имеют тенденцию локализоваться вблизи границы раздела воздух-вода и полностью отсутствуют вблизи оксида. Это явление было объяснено как поверхностной поляризацией пленки воды, так и жесткой льдоподобной фазой воды, образующейся вблизи поверхности оксида.

Взаимодействие между этими двумя межфазными явлениями привело к зависящим от высоты транспортным свойствам внутри водной пленки. Атомы очень медленно диффундируют вблизи границы раздела оксидов и имеют возрастающую диффузию по мере приближения к границе раздела воздух-вода. Толщина поверхностной воды зависит от относительной влажности, которая коррелирует эти наномасштабные эффекты ограничения с эмпирически измеренными скоростями атмосферной коррозии алюминия.

«Эффекты удержания в пленках воды, адсорбированных оксидами, хорошо описаны в литературе, но это новое понимание их прямого влияния на водный транспорт ионов чрезвычайно полезно для понимания механизмов атмосферной коррозии», — объяснил ученый LLNL Джереми Шер, ведущий автор исследования изучение.

Последствия наномасштабного ограничения скорости коррозии стали ясно очевидны, когда команда увеличила масштаб своих результатов МД до континуального масштаба. Была разработана редукционистская одномерная континуальная модель очага коррозии алюминия, которая включала коэффициенты диффузии ионов, рассчитанные на основе моделирования МД. Эта простая модель показала, что скорость коррозии может быть ограничена диффузией в атмосферных условиях и, следовательно, сильно зависит от относительной влажности.

«Результаты этого исследования подчеркивают, насколько важно фиксировать необычные наномасштабные эффекты и их зависимость от влажности при моделировании атмосферной коррозии в больших масштабах», — сказал Шер.