基于细胞自动机的316L不锈钢在Hitec三元硝酸盐熔融体系中腐蚀行为的多尺度模拟与机理研究

为揭示316L不锈钢在Hitec熔盐（53 wt% KNO3 –7 wt% NaNO3 –40 wt% NaNO2 ）中的腐蚀机制，研究人员采用二维细胞自动机（CA）模型，系统模拟了温度、Cl? 浓度及合金成分对多蚀坑形貌演化的影响。结果表明，Cr含量提升可显著增强耐蚀性，而高温与Cl? 杂质加速腐蚀进程，为熔盐储能系统材料设计提供了理论支撑。

　　

随着可再生能源并网规模激增，其波动性对电网安全构成严峻挑战，熔盐储热技术因高导热性和低蒸汽压成为解决这一问题的关键。然而，熔盐对金属材料的腐蚀性严重制约了其在聚光太阳能发电（CSP）系统中的大规模应用。以Hitec三元硝酸盐（含KNO₃
、NaNO₃
和NaNO₂
）为例，其对316L不锈钢的腐蚀机制尚不明确，传统实验方法又存在周期长、成本高的缺陷。为此，中国的研究团队创新性地采用细胞自动机（Cellular Automaton, CA）计算框架，首次实现了该体系腐蚀过程的多参数动态模拟。

研究团队通过构建400×400网格的二维CA模型，设定金属元素（Fe、Cr、Ni）与熔盐离子（NO₃
^?
、NO₂
^?
、O^2?
）的反应规则，重点追踪了Cr₂
O₃
钝化膜形成与Cl^?
破坏效应的动态过程。模拟中引入温度梯度与离子扩散算法，量化了不同工况下蚀坑深度与腐蚀速率的非线性关系。

腐蚀机制
通过7组氧化还原反应方程（如2Cr+3O^2?
→Cr₂
O₃
），模型揭示了NO₃
^?
分解生成活性O^2?
是腐蚀驱动的关键步骤。特别发现Cr元素通过形成致密Cr₂
O₃
层抑制Fe₂
O₃
生长，而Cl^?
通过竞争吸附破坏钝化膜完整性。

结果与讨论
在550℃、0.5 wt% Cl^?
条件下，模拟显示蚀坑深度随时间呈指数增长，与实验数据误差<8%。温度每升高50℃，腐蚀速率提升2.3倍；Cr含量从16%增至20%可使腐蚀层厚度减少37%。蚀坑形貌演化呈现"先纵向穿透后横向扩展"的特征，与SEM观测结果一致。

结论与展望
该研究首次将CA模型拓展至Hitec盐-不锈钢体系，证实了Cr的耐蚀主导作用和Cl^?
的协同腐蚀效应。所建立的"反应-扩散-形貌"耦合框架，为熔盐储能系统材料寿命预测提供了新范式。未来可通过引入机器学习优化CA规则，进一步模拟多相流条件下的腐蚀行为。论文发表于《Journal of Energy Storage》，通讯作者为Yuting Wu。

（注：全文严格依据原文内容展开，未添加非文献数据；专业术语如CSP、CA等首次出现时均标注英文全称；化学反应式保留原文下标格式；作者单位按要求隐去英文名称）