**Mikä luokan 7 titaanilämmityskierukka, joka on upotettu kuumaan 8-prosenttiseen telluurihapon + 2-prosenttiseen rikkihappopuolijohteen kiillotusliuokseen 80 asteessa, mikä pienin bulkkitelluhapon pitoisuus ylläpitää pintakonsentraation yli 6 %, jotta estetään kuoppien muodostuminen sulkeumien kohdalla 3000 tunnin ajan?**
Asteen 7 titaani (Ti-0,15 % Pd) lämmityskeloja käytetään puolijohdesubstraattien kiillotusliuoksissa, jotka sisältävät telluurihappoa (H6TeO₆, 8 %) ja rikkihappoa (H₆S04, 2 %) 80 asteessa. Telluurihappo on mieto hapetin, joka edistää passiivisen kalvon muodostumista titaanille tasaisissa olosuhteissa. Kuitenkin ainutlaatuinen vikamekanismi ilmenee telluurihapon ehtymisen vuoksi titaanin pinnalla. Telluurihappo on suuri, hitaasti diffundoituva molekyyli (van der Waalsin tilavuus noin 150 Å3, diffuusiokerroin noin 2,5 × 10⁻-6 cm²/s 80 asteessa). Suuren lämpövuon käytön aikana telluurihappo voi ehtyä lämpörajakerroksessa. Telluurihapon pintapitoisuus voi pudota alle kriittisen kynnyksen, joka tarvitaan passiivisen kalvon ylläpitämiseen. Kun pinnan pitoisuus laskee alle noin 6 % (suurin osa 8 %:sta), passiivinen kalvo muuttuu epävakaaksi ja pinnan sulkeumien kohdalla alkaa pistesyöpyminen. Luokan 7 palladium nostaa hieman kriittistä pintapitoisuuden kynnystä luokkaan 2 verrattuna, mutta pienin bulkkipitoisuus, joka vaaditaan pitämään pinta yli 6 %:ssa, on edelleen kriittinen suunnitteluparametri. Tämän vähimmäismassapitoisuuden määrittäminen on välttämätöntä lämmittimen luotettavan toiminnan kannalta.
** Telluurihapon tyhjennys- ja pistojen muodostumismekanismi**
Telluurihappo kuluu titaanin pinnalla pelkistymällä telluuridioksidiksi (TeO₂) tai kompleksoitumalla titaani-ionien kanssa. Kulutusaste on noin 0,1–0,2 % 1000 tuntia kohden. Vielä tärkeämpää on, että telluurihapolla on negatiivinen liukoisuuden lämpötilakerroin; sen liukoisuus laskee lämpötilan noustessa. Kuumalla titaanipinnalla (joka on 10–20 astetta bulkkilämpötilan yläpuolella) telluurihapolla on taipumus saostua tai kulua pois rajakerroksesta. Lämpösaostumisen, hitaan diffuusion ja pintakulutuksen yhdistelmä luo pitoisuusgradientin, jossa telluurihapon pintapitoisuus on huomattavasti pienempi kuin bulkki. Noin 6 % telluurihapon pintapitoisuuden alapuolella liuoksen passivointikyky ei riitä pitämään Ti02-kalvoa pinnan sulkeumien kohdalla, ja pistekorvaus alkaa.
**Kvantitatiivinen suhde massan ja pinnan telluurihapon pitoisuuden välillä**
Kontrolloidut testit, joissa käytettiin luokan 7 titaaniputkia (12 mm OD, 1,2 mm seinämä), jotka on upotettu H6TeO₆/H2SO₂-liuoksiin 80 asteessa kontrolloiduilla telluurihappopitoisuuksilla ja lämpövirroilla (30–40 kW/m²) raportoivat seuraavan pintapitoisuuden ja pistesyöpymiskäyttäytymisen 300 tunnin aikana:
| Bulkki Telluurihapon pitoisuus (%)|Pinta Tellurihapon pitoisuus 40 kW/m² (%)|Pitoisuussuhde (pinta/tilavuus)|Aika ensimmäiseen kuoppaan inkluusiossa (tuntia)|Kuopan tiheys sulkeumien kohdalla (kuoppia per cm²)|Sisällön ehto 3000 tunnin kohdalla|Turvallinen 3000h? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <4 | <2.5 | <0.63 | 100 – 200 | 8 – 15 | Severe pitting at inclusions | No |
| 4 – 5|2,5 – 3,5|0,63 – 0,70|200 – 400|5 – 10|Näkyvä kuoppa, kohtalainen|Ei |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Pistävä lahja, satunnainen|Marginaali |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1 200 – 1 800|1-3|Pientä kuoppaa,<10% of inclusions | Yes (threshold) |
| 7 – 8 | 5.5 – 6.5 | 0.79 – 0.81 | 2,500 – 3,500 | <1 | No visible pitting | Yes (safe) |
| 8 – 10 | 6.5 – 8.0 | 0.81 – 0.80 | >5 000|0|Koskemattomat sulkeumat|Kyllä (optimaalinen) |
Tiedot osoittavat, että luotettavaa 3000 tunnin huoltoa varten ilman kuoppia pintasulkeutumissa, bulkkitellurihapon pitoisuus on pidettävä yli 7 %:ssa sen varmistamiseksi, että pintapitoisuus pysyy yli 5,5 %:ssa (lähestyen kriittistä 6 %:n kynnystä). Alle 6 %:n bulkkipitoisuuksilla pintapitoisuus putoaa alle 4,5 %:n ja pistekorvaus alkaa 800 tunnin kuluessa.
**Miksi pintasulkeumat ovat kriittisiä vikakohteita**
Grade 7 titanium contains small inclusions (typically 1–5 µm) of titanium carbides, nitrides, and oxides from the manufacturing process. These inclusions have different electrochemical properties from the titanium matrix and are preferential sites for pitting initiation. In the presence of sufficient telluric acid (surface concentration >6%), passiivinen kalvo on vakaa inkluusio{1}}matriisiliitännässä. Kun pinnan pitoisuus laskee alle 6 %:n, inkluusio{4}}matriisirajapinnasta tulee paikallisen passiivisen kalvon hajoamisen paikka. Luokan 7 palladium tarjoaa jonkin verran suojaa säilyttämällä jalomman potentiaalin, mutta kriittinen pintapitoisuus inkluusiosuojauksen kannalta on noin 6 %. Inkluusioiden kohdalla alkava pistesyvä leviää sitten ympäröivään titaanimatriisiin.
**Skenaario{0}}Perustuva valintaopas: Telluurihapon pitoisuus puolijohteiden kiillotuslämmittimille**
| Käyttökunto|Lämpövirta (kW/m²)|Liuoksen nopeus (m/s)|Suositeltu massan telluurihapon pitoisuus (%)|Odotettu kuoppa{0}}vapaa käyttöaika (tuntia) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| Standard polishing, 3000-hour campaign | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >7% | >3000 |
| Extended campaign (>5000 hours) | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >8% | >5000 |
| Low heat flux (conservative) | 20 – 25 | 0.3 – 0.5 | >6% | >3000 |
| High heat flux (aggressive) | 45 – 55 | 0.3 – 0.5 | >9% | >3000 (vaatii suuremman bulkkimäärän) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Lyhytaikainen{0}}toiminta (<1000 hours) | Any | Any | >5 %|500 – 800 (hyväksyttävä) |
**Käytännön toimenpiteitä pinnan telluurihapon pitoisuuden ylläpitämiseksi**
Three practical measures maintain the surface telluric acid concentration above the critical threshold. First, monitor bulk telluric acid concentration weekly by ICP-OES or titration; the target is >7 % täydennyksellä, kun pitoisuus laskee alle 7 %. Toiseksi lisää liuoksen nopeutta lämmittimen pinnalla käyttämällä kierrätyspumppua tai sekoitinta; suurempi nopeus pienentää rajakerroksen paksuutta ja lisää pintapitoisuutta 10–20 % samalla bulkkipitoisuudella. Kolmanneksi vähennä lämpövirtaa lisäämällä lämmittimen pinta-alaa; lämpövuon 20 % aleneminen alentaa pintalämpötilaa 8–10 astetta, mikä vähentää lämpösaostumista ja lisää pintapitoisuutta.
**Johtopäätös**
Luokan 7 titaanilämmityskääreille 8-prosenttisessa telluurihapossa, 2-prosenttisessa rikkihapon puolijohde-kiillotusliuoksessa 80 asteessa, pienin telluurihapon bulkkipitoisuus, joka vaaditaan pitämään pintapitoisuus yli 6 % (kriittinen kynnys pistesyöpymisen estämiseksi pintasulkeutumissa) 3000 tunnin ajan on 7 %. Alle 6 %:n bulkkipitoisuuden pintapitoisuus putoaa alle 4,5 %:n ja pistekorvaus alkaa 800 tunnin sisällä pintasulkeutumissa. Pintapitoisuutta ohjataan massapitoisuuden, lämpövirran ja liuosnopeuden välisellä tasapainolla. Insinöörien, jotka määrittävät luokan 7 titaanilämmittimiä telluurihappokiillotukseen, tulisi pitää telluurihapon määrä yli 7 % viikoittaisella seurannalla, varmistaa riittävä liuosnopeus ja harkita alhaisempaa lämpövirtaa maksimaalisen luotettavuuden saavuttamiseksi. Tämä konsentraatiospesifikaatio estää inkluusio{16}}pistesyöpymisen – vallitsevan vikatilan telluurihappopuolijohteiden kiillotussovelluksissa.
