[发明专利]一种基于元胞自动机的镍基合金腐蚀层动态演变分析方法

说明书

本发明公开了一种基于元胞自动机的镍基合金腐蚀层动态演变分析方法，通过将每一步化学反应转化为对应的程序语言进行表达，使得模型与实际情况更符合；同时，可以得到总腐蚀层、外腐蚀层和内腐蚀层厚度的变化曲线，预测合金在长期腐蚀下的腐蚀层厚度变化情况。还通过总腐蚀层厚度的变化趋势可以预测合金的质量损失趋势，并将二者结合，可以达到预测金属结构管道和容器使用寿命的目的。

技术领域

本发明属于元胞自动机演变研究技术领域，特别涉及一种基于元胞自动机的镍基合金腐蚀层动态演变分析方法。

技术背景

在聚光式太阳能发电厂中，传热以及储热系统是其主要的部分，直接影响了系统的工作效率和成本。氯化物熔盐因其热容大、粘度低、使用温度高、温度范围宽、热稳定性好且成本较低等优点，成为较为优秀的传热和储热材料。然而在高温下，氯化物熔盐对管道或容器等金属结构材料具有很高的腐蚀性。对氯化物熔盐腐蚀性的研究较为困难，实验周期较长并且难以研究腐蚀过程，因此部分学者选择使用先进的计算方法来对腐蚀过程进行模拟研究。元胞自动机法与其它模拟方法相比，计算方法简单、运行速度快、模拟准确度高，是常用的模拟方法。目前对于金属腐蚀过程的元胞自动机模拟方式主要有以下几种：

1、模拟表面形貌的元胞自动机法：利用元胞自动机法对粗糙金属与电解质的界面腐蚀表面形貌进行了模拟。该模型考虑了金属在实际腐蚀过程中不同区域的不同腐蚀方式，将顶部区域和底部区域分别讨论。而此模型是通过调整反应速率和每个区域的局部化程度，从而得到不同的腐蚀形貌，并没有考虑实际腐蚀过程中发生的具体的反应，腐蚀形貌虽然相近，但关键的腐蚀过程并不一致。

2、模拟腐蚀坑相互作用的元胞自动机法：利用元胞自动机和有限元方法对机械与化学作用下的不锈钢亚稳腐蚀坑的相互作用进行了预测。该模型不单单是从形貌上对腐蚀坑间的相互作用进行了模拟，还研究了腐蚀坑相互作用过程中的电流特性与坑稳定产物。但此模型并不适用镍基合金在氯化物熔盐中发生的腐蚀行为，不能反映出镍基合金在腐蚀过程中关键的腐蚀层形貌变化及元素流失情况，实用性低。

3、模拟晶内与晶界腐蚀的元胞自动机法：利用元胞自动机法研究了几何结构对晶间腐蚀以及晶间和晶内腐蚀的影响。该模型将传统的二维模型推广至了三维模型，较好地展示了各向异性或各向同性以及不同布局的各种晶粒的几何结构，以及在腐蚀过程中晶粒的几何变化与剥离过程。但该模型的实用性较低，定义的演化规则过于简单，与实际腐蚀行为中发生的一系列复杂过程吻合较差。

4、模拟腐蚀坑形貌的元胞自动机法：利用元胞自动机法计算了腐蚀坑的数量与深度，并模拟了腐蚀坑的萌生与长大过程。模拟结果较好地反映了腐蚀过程的随机性，模型的初始过程与生长过程与数学模型吻合良好。但此模型仅能预测短期内腐蚀坑的生长规律，不能对长期腐蚀行为进行预测。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种基于元胞自动机的镍基合金腐蚀层动态演变分析方法，本发明的模拟结果与实际过程吻合度高，不仅可以获得清晰的腐蚀过程，还可以得知相应的元素含量变化情况。同时，还可以预测腐蚀层厚度的变化与质量损失趋势，实用性强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于元胞自动机的镍基合金腐蚀层动态演变分析方法，包括用于分析各个元胞，以及腐蚀实验中实际的合金样品，所述方法包括以下步骤：

步骤1：基于所述合金样品的实际形状，选取相应的坐标系，定义二维元胞空间，选取Margolus型邻居，并确定周期性边界条件；

步骤2：根据氯化物熔盐及所述合金的组成，定义元胞空间中不同格位的属性；

步骤3：在元胞自动机空间中定义演化规则，实现元胞自动机空间中各个元胞间的相互转换，通过MATLAB软件将演化规则转化为程序语言；