基于近场动力学的点蚀及其数值仿真

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金属材料铝及铝合金在国民经济中的应用非常广泛,并且因为铝及铝合金比重轻、强度大、耐腐蚀等性能,被普遍应用于航空、航天、航海中,有的做为承力部件,有的做为结构件,暴露在不同的服役环境中。在航空用铝合金的损伤方面,点蚀是飞机结构最主要的腐蚀破坏形式之一,不仅影响着外观,甚至严重影响着飞机的飞行安全和寿命。因此,研究铝合金的点蚀损伤行为和损伤腐蚀速率有着非常重要的理论意义和实际应用价值。  本文参考美国材料试验协会标准,对LY12CZ铝合金进行点蚀实验。在实验过程中控制影响点蚀的三种主要因素的变化:初始表面状态、环境温度、腐蚀时长,然后在COMSOL软件中建立近场动力学法与有限元法混合模型对点蚀进行模拟,目的是证明这种仿真模拟的可靠性、准确性。  在实验之前,使用shapix扫描仪对试件进行扫描,查看其表面的处理情况,在实验中利用电化学工作站记录点蚀电化学反应的极化曲线,腐蚀实验结束后,利用扫描仪和光学显微镜对表面损伤形貌进行观察和拍照记录,分析其形貌特征。从腐蚀的表面形貌可以看出,在温度较高的情况下,损伤程度普遍比低温下严重,从腐蚀的数据得出,高温下的点蚀速率同样比低温时要高,表明在高温下铝合金基体中近场动力学节点间键的作用力有较容易发生断裂的现象。实验的结果显示:在25℃下,腐蚀2小时,其表面损伤程度较小,发生零星的点蚀坑,且蚀坑尺寸较小,随着时间的延长,蚀坑的数量在增加,尺寸不断增大;在40℃和55℃时,随着腐蚀时间的延伸,蚀坑增大呈现椭圆形,点蚀坑之间还会出现相互连通的现象,造成了键的大量断开,金属溶解,产生损伤。  在COMSOL软件中对点蚀过程进行建模模拟,模型为近场动力学法和有限元法结合的混合模型。通过设定仿真的电化学参数,对有初始坑的模型进行腐蚀过程的仿真。从仿真的结果可以观察到坑尺寸的变化情况和坑轮廓的演化过程,蚀坑的轮廓尺寸随着时间的延长逐渐地增大。并且从仿真得到的腐蚀速率值的大小与实验得到的非常接近,证明了此处的仿真模型能够对铝合金的点蚀过程进行呈现,对腐蚀速率进行预测,能够很好的反映实际情况,证明了此仿真模型的可行性。
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