LLNL-Forscher enthüllen mithilfe des Ruby-Supercomputers neue Erkenntnisse über die Rolle der Luftfeuchtigkeit bei der Aluminiumkorrosion

Jan 12, 2024

7. Juni 2023

7. Juni 2023 – Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) führten Simulationen mit dem Supercomputer Ruby des Labors durch, um physikalische Mechanismen aufzudecken, die erklären, warum Feuchtigkeit die Geschwindigkeit der atmosphärischen Korrosion von Aluminiummetall steuert. Ihre Forschung wird im ACS Journal of Applied Materials and Interfaces vorgestellt.

Genaue Vorhersagen über die Lebensdauer von Aluminiumkomponenten hängen von der Bewertung der Korrosionsraten ab. Modelle im technischen Maßstab, die zur Erstellung von Lebensdauervorhersagen auf Systemebene verwendet werden, werden in Form gekoppelter physikalischer und chemischer Mechanismen ausgedrückt, einschließlich Sorption, Transport und chemischer Reaktionen. Diese Mechanismen sind von Natur aus mehrskalig, was sowohl die Entwicklung als auch die Kalibrierung der Modellform erschwert.

Die Rate der atmosphärischen Aluminiumkorrosion hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit ab, die die Menge an Wasser misst, die als Dampf um das Teil herum vorhanden ist. Das Verständnis, welche Prozesse zu diesen Geschwindigkeitseffekten führen, kann dabei helfen, die Form technischer Lebensdauermodelle hinsichtlich grundlegender physikalischer Parameter einzuschränken.

Wenn blanke Aluminiumoberflächen der Luft ausgesetzt werden, reagieren sie schnell unter Bildung von Aluminiumoxid. Wasserdampf in der umgebenden feuchten Luft adsorbiert dann auf diesen Oxidoberflächen und bildet einen nanoskopischen Film, dessen Dicke von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängt. Kondensiertes Oberflächenwasser bietet ein Medium für die Auflösung und Bewegung von Metallionen durch Diffusion, was für die Bildung und das Wachstum von Korrosionsgruben wichtig ist. Die begrenzten nanoskopischen Abmessungen können jedoch ungewöhnliche Effekte hervorrufen.

Um besser zu verstehen, wie sich Aluminiumionen unter Wassereinschluss auf Oberflächen verhalten, nutzte das Team Simulationen der Molekulardynamik (MD) aller Atome, um Erkenntnisse zu gewinnen. MD macht vergleichsweise wenige Annahmen darüber, wie Atome interagieren, und simuliert direkt eine Flugbahn atomarer Bewegungen, die nachbearbeitet werden kann, um Daten zu Materialeigenschaften zu erhalten.

„Da der diffusive Transport ein vergleichsweise langsamer Prozess ist, mussten wir sorgfältig auswählen, wie wir atomare Wechselwirkungen modellieren“, sagte LLNL-Wissenschaftler Matt Kroonblawd, Mitautor der Studie. „Die klassische reaktive Molekulardynamik bietet einen wünschenswerten Kompromiss zwischen Genauigkeit und zugänglichen Zeitskalen. Die Verwendung reaktiver MD bedeutete, dass wir nicht von der Struktur der wässrigen Aluminiumspezies oder der spezifischen Chemie der Oxidoberfläche ausgehen mussten.“

Anhand ihrer Simulationen stellte das Team fest, dass sich Aluminiumionen tendenziell in der Nähe der Luft-Wasser-Grenzfläche ansiedeln und in der Nähe des Oxids völlig fehlen. Dieses Phänomen wurde sowohl auf die Oberflächenpolarisierung des Wasserfilms als auch auf die starre eisartige Phase des Wassers zurückgeführt, die sich in der Nähe der Oxidoberfläche bildet.

Das Zusammenspiel dieser beiden Grenzflächenphänomene führte zu höhenabhängigen Transporteigenschaften innerhalb des Wasserfilms. Atome diffundieren in der Nähe der Oxidgrenzfläche sehr langsam und weisen eine zunehmende Diffusionsfähigkeit auf, wenn sie sich der Luft-Wasser-Grenzfläche nähern. Die Dicke des Oberflächenwassers hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit ab, die diese nanoskaligen Einschlusseffekte mit empirisch gemessenen Raten der atmosphärischen Korrosion von Aluminium korreliert.

„Einschlusseffekte in oxidadsorbierten Wasserfilmen sind in der Literatur gut dokumentiert, aber diese neuen Erkenntnisse über ihren direkten Einfluss auf den wässrigen Ionentransport sind enorm nützlich für das Verständnis der Mechanismen der atmosphärischen Korrosion“, erklärte LLNL-Wissenschaftler Jeremy Scher, Hauptautor von die Studie.

Die Folgen des nanoskaligen Einschlusses auf die Korrosionsraten wurden deutlich, als das Team seine MD-Ergebnisse auf die Kontinuumsskala hochskalierte. Es wurde ein reduktionistisches eindimensionales Kontinuumsmodell einer Aluminiumkorrosionsgrube entwickelt, das die aus den MD-Simulationen berechneten Ionendiffusionskoeffizienten berücksichtigte. Dieses einfache Modell zeigte, dass die Korrosionsraten unter atmosphärischen Bedingungen diffusionsbegrenzt sein können und daher stark von der relativen Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden.

„Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen, wie wichtig es ist, ungewöhnliche nanoskalige Effekte und ihre Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit zu erfassen, wenn atmosphärische Korrosion auf größeren Längenskalen modelliert wird“, sagte Scher.

Diese Studie ist Teil einer neuen Multiskalen-Modellierungsmaßnahme zur Erweiterung des Reaction-Sorption Transport and Mechanics (oder ReSorT-M)-Toolkits, eines Modellierungsrahmens, der von der Gruppe Materials Aging and Compatibility (MAC) verwendet wird, um technische Entscheidungen in Waffen und Komplexen zu unterstützen Integrationsprogramme.

„Die genaue Bestimmung der Dicke der Wasserschicht auf der Metalloberfläche und das Verständnis, wie Feuchtigkeit und Temperatur ihre Eigenschaften beeinflussen, sind entscheidend für die Beurteilung von Korrosionsproblemen für programmatische Anforderungen“, sagte LLNL-Wissenschaftlerin Sylvie Aubry, Mitautorin der Studie und des ReSorT-M Teamleiter.

Zu dieser Arbeit haben auch die LLNL-Forscher Stephen Weitzner, Tae Wook Heo, Yue Hao, Stephen Castonguay und Susan Carroll beigetragen.

Quelle: LLNL