Investigadores del LLNL revelan nuevos conocimientos sobre el papel de la humedad en la corrosión del aluminio utilizando la supercomputadora Ruby

Jan 12, 2024

7 de junio de 2023

7 de junio de 2023: los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizaron simulaciones utilizando la supercomputadora Ruby del laboratorio para descubrir mecanismos físicos que explican por qué la humedad controla la tasa de corrosión atmosférica del metal de aluminio. Su investigación aparece en el ACS Journal of Applied Materials and Interfaces.

Las predicciones precisas de la vida útil de los componentes de aluminio dependen de las evaluaciones de las tasas de corrosión. Los modelos a escala de ingeniería utilizados para hacer predicciones de vida útil a nivel de sistema se expresan en términos de mecanismos físicos y químicos acoplados, que incluyen sorción, transporte y reacciones químicas. Estos mecanismos son inherentemente multiescala, lo que complica tanto el desarrollo como la calibración del modelo.

Las tasas de corrosión atmosférica del aluminio dependen de la humedad relativa, que mide la cantidad de agua presente como vapor alrededor de la pieza. Comprender qué procesos dan lugar a estos efectos de velocidad puede ayudar a restringir la forma de los modelos de vida útil de ingeniería en términos de parámetros físicos fundamentales.

Cuando las superficies de aluminio desnudas se exponen al aire, reaccionan rápidamente para formar óxido de aluminio. El vapor de agua en el aire húmedo circundante se adsorbe en estas superficies de óxido formando una película nanoscópica cuyo espesor depende de la humedad relativa. El agua superficial condensada proporciona un medio para que los iones metálicos se disuelvan y se muevan a través de la difusión, lo cual es importante en la formación y el crecimiento de las picaduras de corrosión, pero las dimensiones nanoscópicas confinadas pueden inducir efectos inusuales.

Para comprender mejor cómo se comportan los iones de aluminio bajo confinamiento en el agua en las superficies, el equipo recurrió a simulaciones de dinámica molecular (MD) de todos los átomos para obtener información. MD hace comparativamente pocas suposiciones con respecto a cómo interactúan los átomos y simula directamente una trayectoria de movimientos atómicos que se pueden procesar posteriormente para obtener datos de propiedades del material.

"Debido a que el transporte difusivo es un proceso comparativamente lento, tuvimos que seleccionar cuidadosamente cómo modelar las interacciones atómicas", dijo Matt Kroonblawd, científico del LLNL y coautor del estudio. "La dinámica molecular reactiva clásica ofrece una compensación deseable entre precisión y escalas de tiempo accesibles. El uso de MD reactiva significaba que no necesitábamos asumir la estructura de las especies acuosas de aluminio o la química específica de la superficie del óxido".

A partir de sus simulaciones, el equipo observó que los iones de aluminio tienden a localizarse cerca de la interfaz aire-agua y estaban completamente ausentes cerca del óxido. Este fenómeno se atribuyó tanto a la polarización de la superficie de la película de agua como a la fase de agua rígida similar al hielo que se forma cerca de la superficie del óxido.

La interacción entre estos dos fenómenos interfaciales resultó en propiedades de transporte dependientes de la altura dentro de la película de agua. Los átomos se difunden muy lentamente cerca de la interfaz de óxido y tienen una difusividad creciente a medida que se acerca a la interfaz aire-agua. El espesor del agua superficial depende de la humedad relativa, que correlaciona estos efectos de confinamiento a nanoescala con las tasas de corrosión atmosférica del aluminio medidas empíricamente.

"Los efectos del confinamiento dentro de las películas de agua adsorbidas con óxido están bien documentados en la literatura, pero esta nueva visión sobre su impacto directo en el transporte de iones acuosos es tremendamente útil para comprender los mecanismos de la corrosión atmosférica", explicó el científico del LLNL Jeremy Scher, autor principal de el estudio.

Las consecuencias del confinamiento a nanoescala en las tasas de corrosión se hicieron claramente evidentes cuando el equipo elevó sus resultados de MD a la escala continua. Se desarrolló un modelo continuo unidimensional reduccionista de una fosa de corrosión de aluminio, que incorporó los coeficientes de difusión de iones calculados a partir de las simulaciones MD. Este modelo simple mostró que las tasas de corrosión pueden verse limitadas por difusión en condiciones atmosféricas y, por lo tanto, están fuertemente influenciadas por la humedad relativa.

"Los resultados de este estudio resaltan cuán esencial es capturar efectos inusuales a nanoescala y su dependencia de la humedad al modelar la corrosión atmosférica en escalas de mayor longitud", dijo Scher.

Este estudio es parte de un nuevo esfuerzo de modelado multiescala para ampliar el kit de herramientas Reaction-Sorption Transport and Mechanics (o ReSorT-M), un marco de modelado utilizado por el grupo Compatibilidad y envejecimiento de materiales (MAC) para ayudar a informar las decisiones de ingeniería en Armas y complejos. Programas de integración.

"La determinación precisa del grosor de la capa de agua en la superficie metálica y la comprensión de cómo la humedad y la temperatura afectan sus propiedades son cruciales para evaluar los problemas de corrosión para las necesidades programáticas", dijo la científica del LLNL Sylvie Aubry, coautora del estudio, y ReSorT-M. jefe de equipo.

Los investigadores del LLNL Stephen Weitzner, Tae Wook Heo, Yue Hao, Stephen Castonguay y Susan Carroll también contribuyeron a este trabajo.

Fuente: LLNL