基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法与流程

1.本发明属于腐蚀仿真技术领域，尤其是涉及一种基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法。


背景技术：

2.传统腐蚀研究主要通过实验实现，缺点是成本高且实验时间长，尤其是大气腐蚀实验往往以年为单位，同时在进行涂层优选时如果通过实验方法完成需要对多种涂层组合分别测试，进一步增加成本，而且通过实验无法揭示腐蚀的主要成因，如大气腐蚀还是电偶腐蚀；同时在进行结构件的腐蚀实验时由于腐蚀产物受重力发生流动，难以准确表征腐蚀风险区域。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法，对比于现有腐蚀仿真实验，大大减少了腐蚀成本，且利用软件可以在短时间内观测到不同涂层的防护效果，从而指导紧固件腐蚀防护方式的优选。相比于单纯的腐蚀实验，大大的降低了成本，而且对材料腐蚀规律的揭示更清晰。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法，包括以下步骤：
6.s1、选定研究对象，将组件进行拆解，观察腐蚀热点区域，将不同防护涂层下的组件取样做成试验品，为下一步电化学实验做准备；
7.s2、测量后续腐蚀仿真过程中所需的试验品的参数；
8.s3、赋值计算，将步骤s2中测得的参数导入腐蚀仿真软件中，对组件进行大气腐蚀仿真，通过电化学实验测得的腐蚀电位进行电偶排序，从而确定紧固件中的阴阳极，并对紧固件进行电偶腐蚀仿真；
9.s4、结果分析，首先对于大气腐蚀和电偶腐蚀的仿真结果进行单独对比，对比不同区域腐蚀速度的大小以及腐蚀热点区域，其次对大气腐蚀和电偶腐蚀进行对比，对比其腐蚀速度；
10.s5、输出结果对比，对紧固件进行盐雾试验，通过对比腐蚀仿真实验结果与盐雾实验，来验证仿真的准确性，进而识别腐蚀热点区域，来进行对不同涂层下防护方式的优选。
11.进一步的，在步骤s1中，制作试验样品的方法为：
12.工作电极为直径为3mm的圆柱体，工作面面积为0.071cm2，电极背面焊接一根铜线以提供电接触，电极的非工作表面用酚醛树脂和环氧树脂密封。
13.进一步的，在步骤s2中，通过电化学实验测量后续腐蚀仿真过程中所需的试验品的参数，方法为：
14.a1、采用三电极体系分别测出紧固件各部位所用材料在进行阳极氧化+涂mos2，钝化+涂mos2，涂铝及电镀锌镍合金的防腐处理后，紧固件材料的自腐蚀电位、交换电流密度
以及tafel极化曲线；
15.a2、利用tafel曲线外推法求出各种材料的阴阳极tafel斜率；
16.a3、对不同涂层下金属的自腐蚀电位进行排序。
17.进一步的，在步骤s2中，测量腐蚀仿真所需要不同涂层下金属的腐蚀电位并进行电偶排序，测量交换电流密度、阴阳极tafel斜率、氧溶解及扩散参以及大气环境下形成的薄液膜厚度及电导率。
18.进一步的，在步骤s2与s3之间，还需要对训练模型进行简化，运用的主要区域是comsol中的网格划分模块，将模型导入后首先对模型进行极细化剖分网格，观察区域中画网格失败的地方，根据系统提示的错误指令以及三维模型的对称性，去除三维模型中的薄域及尖端部分，对三维模型进行简化。
19.进一步的，在步骤s3中，进行赋值计算的方法为：
20.b1、将简化后的三维模型导入软件中，对模型的边界进行一些初定义，方便后续选择；
21.b2、将电化学测得的基本参数导入，查阅文献将其余需要的参数导入；
22.b3、分别选择大气腐蚀及电偶腐蚀的物理场，输入所需参数，大气腐蚀采用电流分布壳，电偶腐蚀采用二次电流分布；
23.b4、对模型网格进行剖分，选择极细化对整体模型进行剖分；
24.b5、研究选择带初始化的瞬态，对仿真进行求解。
25.进一步的，在步骤s4中，结果分析的方法为：通过观察大气腐蚀以及电偶腐蚀仿真结果，观察腐蚀速度以及热点区域是否与材料基本腐蚀电位有关，是否满足电位越负腐蚀中阳极发生溶解的基本规律，其次分析大气腐蚀以及电偶腐蚀腐蚀速度的大小来判别哪个腐蚀对于材料破坏的更严重。
26.进一步的，在步骤s5中，输出结果对比的方法为：将仿真输出的腐蚀数据与盐雾实验的结果进行对比，通过仿真观察腐蚀热点区域，进而对不同防护涂层进行优选。
27.第二方面本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行第一方面所述的基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法。
28.第三方面本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法。
29.相对于现有技术，本发明所述的基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法具有以下有益效果：
30.(1)本发明所述的基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法，将有助于提高航空紧固件的防腐能力，并且揭示航空紧固件在服役过程中的腐蚀风险区域及腐蚀机理；
31.(2)本发明所述的基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法，改变过去完全通过实验选择腐蚀防护方式的做法，以腐蚀仿真为主，降低经济和时间成本，后续可以推广到其他类型紧固件的腐蚀防护研究方面。
附图说明
32.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1为本发明实施例中基于腐蚀仿真的承力快卸锁防腐涂层优选方法的流程图；
34.图2为具体实施方式中大气腐蚀仿真结果的电极电位vs参比电位图；
35.图3为具体实施方式中大气腐蚀仿真结果的阳极溶解反应的局部电流密度图；
36.图4为具体实施方式中电偶腐蚀仿真结果的电极电位vs参比电位图；
37.图5为具体实施方式中电偶腐蚀仿真结果的阳极溶解反应的局部电流密度图。
具体实施方式
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
40.以下将结合说明数中的附图将本案例具体、清楚的表达出来。以下将将大气腐蚀和电偶腐蚀的模型详细表达清楚，并不是代表其余案例不在保护范围中。
41.大气腐蚀模型实施例：
42.具体实施步骤如下：
43.s100、选定研究对象，将承力快卸锁进行拆解，观察腐蚀热点区域，将不同防护涂层下的组件取样做成试验品，为下一步电化学实验做准备。
44.具体为：本次试验品主要是将含不同涂层的金属制作成金属电极。制作金属电极的方式是：工作电极为直径为3mm的圆柱体，工作面面积为0.071cm2。在电极背面焊接一根铜线以提供电接触。电极的非工作表面用酚醛树脂和环氧树脂密封。
45.s200、电化学实验测量参数：测量腐蚀仿真所需要不同涂层下金属的腐蚀电位、交换电流密度、阴阳极tafel斜率、氧溶解及扩散参以及大气环境下形成的薄液膜厚度及电导率。
46.具体为：采用三电极体系，分别测出紧固件各部位所用材料制作而成的电极在进行阳极氧化+涂mos2，钝化+涂mos2，涂铝及电镀锌镍合金等防腐处理后，紧固件材料的自腐蚀电位、交换电流密度以及tafel极化曲线。
47.采用tafel曲线外推法计算不同涂层下金属的自腐蚀电位、交换电流密度以及阴阳极tafel斜率。
48.测量三亚地区氧含量以及在大气环境下形成的薄液膜厚度以及薄液膜中氧气溶解及扩散的速率，测量三亚常年的湿度，并取平均值。
49.s300、简化模型，本专利简化模型的方式区别于以往的直接将三位模型简化为二维模型的方法，通过软件中网格划分功能，将复杂的三维模型简化为较为简单的三维模型，从而使得模拟更加准确以及直观。
50.具体为：将模型导入comsol中，利用软件中的网格划分模块，首先对几何进行自由四面体网格划分，大小选择极细化，观察画网格失败的地方，根据软件的提示，查找模型中由于装配关系划分网格失败的区域以及薄域和尖端部分，很据三维模型的对称性，将模型中的尖端及薄域地方去除，尽可能小的改动三维模型，使得仿真的准确性更高。
51.s400、赋值计算，将电化学测得的数据导入comsol中，对组件大气腐蚀进行仿真；
52.具体为：s401、将简化后的三维模型导入软件中，对模型的边界进行一些初定义，定义方式为“选择”中的“显示”，选择同种涂层金属材料域，定义为后续应用该域中的外部边界。
53.s402、将电化学实验测得的电化学参数、氧气扩散及扩散参数、薄液膜的厚度及电导率、湿度等参数导入。
54.s403、选择物理场，大气腐蚀的物理场为电流分布壳。其中的研究控制方程为：
55.▽
t
(si
l
)＝q
l
56.i
l
＝-σ
l
▽
t
φ
l
57.其中i
l
(单位：a/m2)是电解质电流密度矢量，s(单位：m)是电解质膜厚，σ
l
(单位：s/m)是取决于相对湿度的电解质电导率。其代表的物理含义是电流分布初始化。
58.使用电流分布壳求解时，其因变量为电解质电位φ
l
(单位：v)，其方程为：
59.其中i
l
(单位：a/m2)是电解质电流密度矢量，s(单位：m)是电解质膜厚，σ
l
(单位：s/m)是取决于相对湿度的电解质电导率。
60.电极表面的阴阳极反应。阳极的溶解反应为金属离子的溶解反应，电极动力学方程为阳极tafel方程。阴极反应为o2的还原反应，电极动力学为阴极tafel方程。在氧气的还原反应中，由于氧还原反应受到氧通过膜的传输的限制，考虑极限电流密度。极限电流密度i
lim
,(单位：a/m2)，取决于膜厚、氧溶解度和氧扩散率，公式如下：
[0061][0062]
其中f(96485c/mol)是法拉第常数，d(单位：m2/s)是氧在薄膜中的扩散率，c
sol
(s单位：mol/m3)是氧的溶解度，d
film
(单位：m)是薄液膜的膜厚。通过假设氧还原动力学对氧浓度的局部电流密度的一阶依赖性，可以推导出以下电流密度(单位：a/m2)表达式：
[0063][0064]
其中i
expr
是没有质量传输限制的情况下电极反应的局部电流密度。
[0065]
s404、对模型网格进行剖分，对简化后模型进行自由四面体剖分网格，为提高收敛性，网格的大小选择极细化。
[0066]
s405、建模的控制方程选择带初始化的瞬态，一个时间步长为10
×
24
×
3600秒，计算100个步长。
[0067]
s500、结果分析，对大气腐蚀的仿真结果进行对比，对比不同区域腐蚀速度的大小以及腐蚀热点区域。
[0068]
具体为：观察大气腐蚀仿真结果中输出的电极电位vs参比电位图，观察其结果是否与输入材料中的自腐蚀电位进行的电偶排序结果一致，其次观察输出结果中的阳极溶解
局部电流密度图，通过局部电流密度的大小来观察腐蚀速率的大小以及腐蚀热点区域。
[0069]
s600、输出结果对比，对紧固件进行盐雾试验，通过对比仿真实验结果与盐雾实验，来验证仿真的准确性。进而识别腐蚀热点区域，来进行对不同涂层下防护方式的优选。
[0070]
具体为：首先对试样进行盐雾试验，观察腐蚀结果。其次观察comsol中输出的腐蚀数据，可以输出电解质电位、电极电位vs参比电位、界面总电流密度、阴阳极的局部电流密度以及某点的电流密度随时间的变化图等腐蚀数据，对比盐雾试验与仿真实验的数据，观察仿真是否正确，若不正确，则检查模型的输入参数等重新进行s100-s600步，直到误差尽可能较小为止。若正确，则可通过改变涂层，重新输入参数，进行对比不同涂层作用下的防护效果，从而进行指导防护方式的优选。
[0071]
电偶腐蚀实施例：
[0072]
具体实施步骤如下：
[0073]
s100、选定研究对象，将承力快卸锁进行拆解，观察腐蚀热点区域，将不同防护涂层下的组件取样做成试验品，为下一步电化学实验做准备。
[0074]
本次试验品主要是将含不同涂层的金属制作成金属电极。制作金属电极的方式是：工作电极为直径为3mm的圆柱体，工作面面积为0.071cm2。在电极背面焊接一根铜线以提供电接触。电极的非工作表面用酚醛树脂和环氧树脂密封。
[0075]
s200、电化学实验测量参数：测量腐蚀仿真所需要不同涂层下金属的腐蚀电位、交换电流密度、阴阳极tafel斜率以及电偶腐蚀时电解质电导率等参数。
[0076]
具体为：采用三电极体系，分别测出紧固件各部位所用材料制作而成的电极在进行阳极氧化+涂mos2，钝化+涂mos2，涂铝及电镀锌镍合金等防腐处理后，紧固件材料的自腐蚀电位、交换电流密度以及tafel极化曲线。
[0077]
采用tafel曲线外推法计算不同涂层下金属的自腐蚀电位、交换电流密度以及阴阳极tafel斜率。
[0078]
测量电偶腐蚀下电解质的电导率。
[0079]
s300、简化模型，本专利简化模型的方式区别于以往的直接将三位模型简化为二维模型的方法，通过软件中网格划分功能，将复杂的三维模型简化为较为简单的三维模型，从而使得模拟更加准确以及直观。
[0080]
具体为：将模型导入comsol中，利用软件中的网格划分模块，首先对几何进行自由四面体网格划分，大小选择极细化，观察画网格失败的地方，根据软件的提示，查找模型中由于装配关系以及薄域和尖端部分，很据三维模型的对称性，将模型中的尖端及薄域地方去除，尽可能小的改动三维模型，使得仿真的准确性更高。
[0081]
s400、赋值计算，将电化学测得的数据导入comsol中，对组件电偶腐蚀进行仿真；通过电化学实验测得的腐蚀电位进行电偶排序，从而确定紧固件中的阴阳极，并对紧固件进行电偶腐蚀仿真。
[0082]
s401、将简化后的三维模型导入软件中，对模型的边界进行一些初定义，定义方式为“选择”中的“显示”，选择同种涂层金属材料域，定义为后续应用该域中的外部边界。
[0083]
s402、将电化学实验测得的电化学参数、电解质电导率等参数导入。
[0084]
s403、选择物理场，电偶腐蚀的物理场为二次电流分布，使用该物理场来求解不同材料形成的组件电极域上的电位φs(单位：v):
[0085]
▽il
＝q
l
，i
l
＝-σ
l
▽
φ
l
[0086]
▽is
＝qs，is＝-σs▽
φs[0087]
φ
l
＝phil，φs＝phis
[0088]
其中is(单位：a/m2)是电极电流密度矢量，σs(单位：s/m)是电导率，phil是电解质电位，phis是电势，q
l
、qs都是常数。
[0089]
根据电偶排序顺序，设定17-4ph钝化+mos2以及17-7ph钝化材料组成的组件为阳极，ti6al4v材料组成的组件为阴极。阳极的溶解反应为金属离子的溶解反应，电极动力学方程为阳极tafel方程。阴极反应为o2的还原反应，电极动力学为阴极tafel方程。
[0090]
s404、对模型网格进行剖分，对简化后模型进行自由四面体剖分网格，为提高收敛性，网格的大小选择极细化。
[0091]
s405、建模的控制方程选择带初始化的瞬态，一个时间步长为10
×
24
×
3600秒，共计算100个步长。
[0092]
s500、结果分析，首先对电偶腐蚀的仿真结果进行对比，对比不同区域腐蚀速度的大小以及腐蚀热点区域。其次对大气腐蚀和电偶腐蚀进行对比。对比其腐蚀速度等。
[0093]
具体为：观察电偶腐蚀仿真结果中输出的电极电位vs参比电位图，观察其结果是否与输入材料中的自腐蚀电位进行的电偶排序结果一致，其次观察输出结果中的阳极溶解局部电流密度图，通过局部电流密度的大小来观察腐蚀速率的大小以及腐蚀热点区域，再观察大气腐蚀和电偶腐蚀的局部电流密度图，来观察其腐蚀速率的大小。
[0094]
s600、输出结果对比，对紧固件进行电化学试验，通过对比仿真实验结果与电化学实验，来验证仿真的准确性。进而识别腐蚀热点区域，来进行对不同涂层下防护方式的优选。
[0095]
具体为：首先对试样进行盐雾试验，观察腐蚀结果。其次观察comsol中输出的腐蚀数据，可以输出电解质电位、电极电位vs参比电位、界面总电流密度、阴阳极的局部电流密度以及某点的电流密度随时间的变化图等腐蚀数据，对比电化学试验与仿真实验的数据，观察仿真是否正确，若不正确，则检查模型的输入参数等重新进行s100-s600步，直到误差尽可能较小为止。若正确，则可通过改变涂层，重新输入参数，进行对比不同涂层作用下的防护效果，从而进行指导防护方式的优选。
[0096]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0097]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
[0098]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
[0099]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。