Computer-based simulation of kinetics of internal corrosion of engineering alloys at high-temperatures

Abstract

A reasonable prediction of the service life of structures or equipment operating at high-temperatures in aggressive atmospheres requires a full understanding of the degradation mechanisms of the material due to mechanical loading and corrosion. The overall objective of this study is to simulate high-temperature corrosion processes under near-service conditions, which require both, a thermodynamic model to predict phase stabilities for given conditions and a mathematical description of the kinetic process, i.e., solid state diffusion. A computer program was developed in which the thermodynamic program library ChemApp is integrated into a numerical finite-difference diffusion calculation to treat internal oxidation, nitridation and sulfidization processes in various commercial alloys. The model is capable of simulating multi-phase internal corrosion processes controlled by solid-state diffusion into the bulk metal as well as intergranular corrosion occurring in low-alloy steels by fast inward oxygen transport along the grain boundaries of the substrate. In this article, dilute and monophase solutions are considered.Uma previsão razoável da durabilidade de estruturas ou equipamentos que operam em temperaturas elevadas e atmosferas agressivas requer um completo entendimento dos mecanismos de degradação dos materiais causados por cargas mecânicas e corrosão. O objetivo geral desse estudo é simular processos de corrosão em temperaturas elevadas em condições próximas àquelas encontradas na realidade. Isto requer um modelo termodinâmico para prever a estabilidade das fases e um modelamento matemático que descreva os processos cinéticos, por exemplo, difusão no estado sólido - difusão no interior do grão e ao longo dos contornos de grão. Um programa computacional foi desenvolvido para descrever a oxidação interna, nitretação e sulfetação de várias ligas comerciais. O subprograma termodinâmico ChemApp foi integrado em um modelo numérico que usa o método de diferenças finitas. O modelo desenvolvido simula processos de corrosão interna que são controlados por difusão no estado sólido e que envolvam precipitação de várias fases. Formação de zona de corrosão interna, incluindo corrosão intercristalina em aços contendo baixo teor de Cr, é também tratada pelo modelo computacional desenvolvido. Nesse artigo, são consideradas soluções diluídas e monofásicas.