【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于深海流动环境下铜合金腐蚀与防护，尤其涉及模拟海水压力和流速共同作用对铜合金微观结构的影响，通过解析分波态密度、功函数和溶解电位等关键腐蚀动力学参数，实现对深海动态复杂环境中铜合金腐蚀速率的精准预测。该专利技术对优化深海系统中典型系统构件防护措施、提升设备耐久性及运行效率具有重要的工程应用价值。
技术介绍
1、深海环境中的腐蚀问题对海洋工程装备的长期安全性与耐久性构成了严峻挑战，尤其是在螺旋桨、海水管路系统以及海洋深潜器等典型系统构件上更为显著。铜合金因其优异的抗腐蚀性和机械性能，广泛应用于这些深海设备的制造。然而，深海环境中复杂的流体动力学因素，如高压、强流速和湍流，对合金表面的腐蚀行为产生显著影响。目前，针对深海动态环境中铜合金腐蚀速率的预测方法主要依赖实验数据和经验公式，但由于深海环境的复杂性，现有方法往往缺乏对流速、压力及合金微观结构变化的精确描述，导致腐蚀速率预测结果存在较大的不确定性。因此，准确预测深海动态环境中铜合金的腐蚀速率，成为提升深海装备运行安全性和延长使用寿命的关键课题。
2、研究深海动态环境下合金腐蚀失效过程的意义在于，这不仅影响设备的长期可靠性，还关乎整个海洋工程项目的经济效益。近年来，关于合金在深海环境下的腐蚀行为研究逐渐深入，涵盖了压力、流速、温度等多种因素的作用。然而，大多数研究仍然局限于静态或准静态的实验条件，对于模拟动态深海环境中压力与流速耦合作用下的腐蚀过程缺乏系统的理论和实验支持。此外，合金的微观结构变化及其与环境的相互作用往往没有得到充分考虑。这使得在不同的深海环
3、为了解决深海动态环境下腐蚀速率预测的难题，实验和数值模拟结合的方法展现出显著优势。通过数值模拟可以精确调控压力、流速及微观结构变化等参数。同时，实验验证则能提供真实环境下的腐蚀行为数据，用以校准和优化模拟结果。通过实验与数值模拟的结合，不仅能够准确分析深海动态环境下铜合金的腐蚀机理，还能建立高精度的腐蚀速率预测模型。这种方法有助于提升腐蚀速率预测的精度，减小预测误差，还能为海洋工程中典型系统构件的设计与防护提供可靠依据，推动深海装备的优化设计和长效防护策略的发展。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的局限性，本专利技术旨在结合实验与数值模拟，研究深海动态环境中耦合力学作用下铜合金的腐蚀行为，开发一种基于深海动态环境耦合力学的铜合金失效倾向性评估及腐蚀速率预测方法。该方法首先通过解析深海压力和海水流速耦合作用下的xrd图谱，量化铜合金在不同耦合力学条件下的微应变水平。其次，建立铜合金/海水溶剂化界面模型，模拟不同海水压力条件下铜合金微观结构的演变过程。在此基础上，结合实测的耦合力学作用下合金表面微应变的定量关系，对铜合金(111)晶面施加原子级轴向应变，进一步构建了在海水压力和流速耦合作用下的铜合金微观结构模型。基于分波态密度、功函数和溶解电位等腐蚀动力学参数解析，预测了深海动态环境下铜合金的腐蚀倾向性。此外，本专利技术定量分析了相同深海压力下，不同流速作用对铜合金表面原子迁移及溶解活化能垒的影响，得到活化能垒与溶解速率的定量关系。结合铜原子的本征扩散系数，建立了综合考虑海水压力和流速的腐蚀速率预测模型。本专利技术通过建立腐蚀速率预测模型，准确评估了海水压力与流速耦合作用对合金表面微观结构的影响，为深海环境下铜合金的失效倾向性评估提供了有效手段。
2、为了实现专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案：通过xrd解析衍射峰形状和峰宽化确定耦合力学作用下铜合金的微应变。采用分子动力学(md)方法建立不同海水压力0.1-10mpa下铜合金/海水溶剂化界面模型，通过调控界面模型中水分子与铜合金表面的距离，定量模拟海水压力对合金表面的力学作用。采用密度泛函理论(dft)，基于确定的铜合金/海水溶剂化界面模型，通过精确控制深海流动环境中铜合金的晶格常数，沿(111)晶面方向施加微应变，构建耦合力学作用下的铜合金微观结构模型。采用pbe-gga方法优化合金的几何结构模型，计算耦合力学作用下铜合金的功函数和溶解电位，使用dft半核赝势(dspp)方法引入相对论效应处理核电子。利用线性同时转移(lst)和二次同时转移(qst)的过渡态搜索方法，定量分析在海水流速和压力共同作用下铜合金原子的溶解活化能垒，得到活化能垒与溶解速率的定量关系。结合铜原子的本征扩散系数，建立了综合考虑海水压力和流速的腐蚀速率预测模型。
3、一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估及预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
4、(1)耦合力学作用下铜合金的微应变解析：根据实际的综合了海水压力和流速耦合作用条件下铜合金腐蚀后的x射线衍射(xrd)测试结果，通过分析衍射峰形状并利用峰宽化确定微应变数值，得到合金内部晶格的应变水平；
5、通过衍射峰半高宽β和布拉格角θ，依据公式(1)计算耦合力学作用下合金的微应变水平ε(不同的海水压力和不同的流速耦合得到的ε可能不同)：
6、
7、该方法表明了在相同海水压力条件下，随着流速的增加，铜合金的微应变显著增大，结合腐蚀形貌的分析，证实了深海压力与流速耦合作用下铜合金的加速腐蚀过程。
8、(2)基于分子动力学的铜合金/海水溶剂化界面模型，用于模拟海水压力对铜合金表面的力学作用，采用分子动力学方法建立不同海水压力0.1-10mpa下铜合金/海水溶剂化界面模型，并通过调控界面模型中水分子与铜合金表面的距离，定量模拟海水压力对合金表面的力学作用，随着海水压力的增加，水分子与铜合金表面的距离减小，铜原子与水分子的相互作用增强；说明海水压力加速了合金的铜原子溶解过程；
9、(3)基于密度泛函理论的耦合力学作用下合金结构模型，用于模拟海水压力和流速共同作用下铜合金表面的腐蚀行为：基于步骤(2)中确定的铜合金/海水溶剂化界面模型，结合步骤(1)xrd解析获得耦合力学作用下铜合金的微应变水平ε，通过精确控制深海流动环境中铜合金模型的晶格常数，沿(111)晶面方向施加微应变，构建海水压力和流速耦合力学作用下的铜合金微观结构模型；
10、采用步骤(2)铜合金/海水溶剂化界面模型时，先确定对应的海水压力，再结合对应的不同的流速下的微应变水平ε进行模拟；然后再换不同的海水压力并结合此不同海水压力的不同的流速下的微应变水平ε进行模拟，依次类推，遍历所有的海水压力；
11、该方法表明金属d轨道与o-p轨道存在显著的相互作用，耦合力学作用导致合金表面吸附水分子的峰发生负移，水分子吸附能力增强，加速了铜合金的腐蚀倾向。
12、(4)深海动态环境耦合力学作用下铜合金功函数的计算：基于步骤(3)建立的耦合力学作用下的合金结构模型，通过计算海水压力和流速共同作用下合金模型的电势即电位值及其与海水界面的接触电位差，得到铜原子的溶解功函数，从而表征合金的失效过程和腐蚀行为；
13、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(1)中，铜合金类型包括螺旋桨用的锰铝青铜合金(MAB)和海水管路用的铜镍合金(B10)等，MAB螺旋桨的海水压力范围为0.1～10Mpa，海水流速0-12m/s；
3.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(2)中，采用分子动力学的方法模拟海水压力对合金表面力学作用，铜合金/海水溶剂化界面模型顶部采用3.5％NaCl溶液模拟海水环境，底部包含铜合金的超晶胞结构，溶液中的离子在电解质区域内自由弛豫，其中Cl-和OH-用于维持溶液的电中性；使用COMPASS II力场描述水分子和铜原子的相互作用，通过分析不同压力下合金表面水分子的密度分布情况，得到海水介质与合金表面的数值模拟距离。
4.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(3
5.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(4)-(5)中，采用PBE-GGA方法优化合金的几何结构模型，计算耦合力学作用下铜合金的功函数和溶解电位，使用DFT半核赝势(DSPP)方法引入相对论效应处理核电子，基集选择双重数值加极化(DNP)，自洽场(SCF)的收敛标准为每个原子2.72×10-3eV，采用Monkhorst-Pack方法在(2×2×1)k点网格上对合金表面的布里渊区进行采样，面心立方结构Cu的晶格常数为这与之前的DFT计算结果一致，为了防止与相邻板的相互作用，在z方向建立的真空层，释放顶部两层原子作为表层，固定其他层原子作为合金基体。
6.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(6)中，利用线性同时转移(LST)和二次同时转移(QST)的过渡态搜索方法，定量分析在海水流速和压力共同作用下铜合金原子的溶解活化能垒，基于Sobereva的方法计算溶解速率，通过建立溶解速率与活化能垒的定量化关系，得到指定海水压力条件的不同海水流速下铜合金的溶解速率。
7.一种深海动态环境耦合力学作用下铜合金腐蚀速率预测模型的建立方法，其特征在于，基于权利要求1中的步骤(1)-(3)铜合金在海水压力和不同海水流速下的耦合力学模型，以及通过步骤(6)建立的溶解速率与活化能垒的定量化关系，得到不同海水压力和不同海水流速下铜合金的溶解速率，结合铜原子的本征扩散系数等参数，对某确定海水压力下的不同海水流速变量与溶解速率进行拟合，将溶解速率图谱转化为耦合力学作用下海水流速与腐蚀速率y的关系模型单位为mm/a(毫米/年)，其中k为修正系数，D为本征扩散系数、T为时间转换因子、α为拟合系数，C为与合金和海水压力有关的参数，可由海水流速x与对应的海水压力下的溶解速率拟合得到，实现对复杂海水环境中铜合金腐蚀速率的准确预测；不同海水压力对应的腐蚀速率y的模型关系不同，即k为修正系数、α为拟合系数，C不同。
8.按照权利要求7所述的方法。其特征在于，MAB合金在深海动态环境海水压力和流速耦合作用下的腐蚀速率预测模型：R2＝0.993，校正系数k1＝-8.38×10-7，铜原子本征扩散系数D＝1.06×10-7，时间转换因子T＝3.15×107，α＝87.56；
...【技术特征摘要】
1.一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(1)中，铜合金类型包括螺旋桨用的锰铝青铜合金(mab)和海水管路用的铜镍合金(b10)等，mab螺旋桨的海水压力范围为0.1～10mpa，海水流速0-12m/s；
3.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(2)中，采用分子动力学的方法模拟海水压力对合金表面力学作用，铜合金/海水溶剂化界面模型顶部采用3.5％nacl溶液模拟海水环境，底部包含铜合金的超晶胞结构，溶液中的离子在电解质区域内自由弛豫，其中cl-和oh-用于维持溶液的电中性；使用compass ii力场描述水分子和铜原子的相互作用，通过分析不同压力下合金表面水分子的密度分布情况，得到海水介质与合金表面的数值模拟距离。
4.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(3)中，采用密度泛函理论模拟海水压力和流速共同作用下铜合金的腐蚀行为，基于确定的铜合金/海水溶剂化界面模型，通过调控海水介质与合金表面的距离实现不同海水压力的施加，同时结合xrd解析获得耦合力学作用下铜合金的微应变水平，通过精确控制合金在深海流动环境下的晶格常数，沿(111)晶面方向施加定量化的微应变，构建海水压力和流速耦合力学作用下的铜合金微观结构模型。
5.按照权利要求1所述的一种用于深海环境中海水压力与流速耦合作用下铜合金失效评估方法，其特征在于，步骤(4)-(5)中，采用pbe-gga方法优化合金的几何结构模型，计算耦合力学作用下铜合金的功函数和溶解电位，使用dft半核赝势(dspp)方法引入相对论效应处理核电子，基集选择双重数值加极化(dnp)，自洽场(scf)的收敛标...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘景军，李瑞雪，杨慧敏，周晨曦，雍兴跃，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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