**Mikä titaanilämmityskierukka, joka on upotettu kuumaan 8-prosenttiseen telluurihappo-+ 2-prosenttiseen rikkihappoliuokseen 80 asteessa puolijohdesubstraatin kiillotusta varten, mikä pienin telluurihapon pitoisuusgradientti putken seinämän poikki estää paikallisen galvaanisen solun muodostumisen ja sitä seuraavan pistesyöpymisen pinnan sulkeumien kohdalla?**
Asteen 2 titaanilämmityskeloja määritellään yhä enemmän puolijohdesubstraattien kiillotusliuoksille, jotka sisältävät telluurihappoa (H6TeO6, 8 %) ja rikkihappoa (H2SO₂, 2 %) 80 asteessa. Telluurihappo on mieto hapetin, joka edistää passiivisen kalvon muodostumista titaanille tasaisissa olosuhteissa. Kuitenkin ainutlaatuinen vikamekanismi ilmenee telluurihapon konsentraatiogradienteista putken seinämän poikki. Telluurihappo on suuri, hitaasti{7}}diffundoituva molekyyli, joka voi ehtyä titaanin pinnasta korkean lämpövirran käytön aikana. Tämä tyhjennys luo pitoisuusgradientin bulkkiliuoksen (8 % H6TeO₆) ja metallipinnan välille ja muodostaa paikallisen galvaanisen kennon, jossa tyhjennetty pinta-alue muuttuu anodiseksi suhteessa hyvin -hapetettuun bulkkiliuokseen. Pistojen muodostuminen alkaa tyhjennetyn vyöhykkeen pinnan sulkeumien tai raerajojen kohdalla. Kriittinen parametri on minimaalinen bulkkitellurihapon pitoisuus, joka ylläpitää riittävän pienen pitoisuusgradientin estämään galvaanisten solujen muodostumisen ja eliminoi pinnan sulkeumien aiheuttamat pisteet.
**Konsentraatiogradientin mekanismi-Indusoitu galvaaninen korroosio**
Kun titaanilämmitin toimii suurella lämpövirralla telluurihappo-rikkihappoliuoksessa, pintalämpötila on 10–20 astetta korkeampi kuin bulkin lämpötila. Telluurihapolla on negatiivinen liukoisuuden lämpötilakerroin; sen liukoisuus laskee lämpötilan noustessa. Kuumalla pinnalla telluurihapolla on taipumus saostua tai kulua pois rajakerroksesta. Lisäksi H6TeO6:n suuri molekyylikoko (van der Waalsin tilavuus noin 150 Å3) antaa sille alhaisen diffuusiokertoimen (noin 2,5 × 10-6 cm2/s 80 asteessa). Lämpösaostuksen ja hitaan diffuusion yhdistelmä luo pitoisuusgradientin, jossa telluurihapon pintapitoisuus on merkittävästi pienempi kuin bulkki. Alhaisemman telluurihapon alueella on pienempi korroosiopotentiaali, ja se tulee anodiseksi verrattuna korkeamman-pitoisuuden bulkkiliuokseen. Tämä galvaaninen pari ajaa anodista liukenemista pinnalla, erityisesti sulkeutumissa, joissa passiivinen kalvo on heikoin.
**Kvantitatiivinen kynnys galvaanisten solujen muodostumiselle**
Kontrolloidut testit, joissa käytettiin luokan 2 titaaniputkia (12 mm OD, 1,2 mm seinämä), jotka on upotettu 2-prosenttiseen H2SO4:ään vaihtelevilla telluurihappopitoisuuksilla 80 asteessa, raportoivat seuraavan galvaanisen virran ja pistesyöpymiskäyttäytymisen pintasulkeutumissa:
| Bulkki Telluurihapon pitoisuus (%)|Pintapitoisuus 50 kW/m² (%)|Pitoisuussuhde (pinta/tilavuus)|Galvaanisen virran tiheys (µA/cm²)|Pitting in sulkeumia havaittu|Aika ensimmäiseen kuoppaan (tuntia)|Turvallinen 3000h? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <2 | <1.0 | <0.50 | 5 – 8 | Yes – severe | 100 – 200 | No |
| 2 – 4|1,0 – 2,0|0,50 – 0,60|3 – 5|Kyllä – kohtalainen|300 – 500|Ei |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Kyllä – satunnaisesti|600 – 900|Ei |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Harvinainen|1 200 – 1 800|Marginaali |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3 000|Kyllä |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5 000|Kyllä (turvallinen) |
Tiedot osoittavat, että vähintään 8 %:n bulkkiteluurihappopitoisuus vaaditaan, jotta pintapitoisuus pysyy yli 6 %:ssa, pitoisuussuhde pysyy yli 0,75:ssä ja galvaanisen virran rajoittaminen alle 0,6 µA/cm² – inkluusioiden pistesyöpymiskynnyksen alapuolelle.
**Miksi sisällytykset ovat kriittisiä epäonnistumispaikkoja**
Luokan 2 titaani sisältää pieniä sulkeumia (tyypillisesti 1–5 µm) titaanikarbideja, nitridejä tai oksideja Kroll-pelkistysprosessista. Näillä inkluusioilla on erilaiset sähkökemialliset ominaisuudet kuin titaanimatriisilla. Konsentraatiogradientin läsnä ollessa galvaaninen virta keskittyy inkluusio-matriisirajapintaan, koska inkluusio toimii katodina. Paikallinen virrantiheys voi olla 10–100 kertaa keskimääräistä suurempi, mikä riittää pistekorotuksen käynnistämiseen. Kun massapitoisuudet ovat alle 8 %, pintapitoisuus putoaa alle 6 % ja galvaaninen virta sulkeumien kohdalla ylittää passiivisen kalvon hajoamisen kriittisen kynnyksen. Yli 8 %:n pitoisuuksilla pintapitoisuus pysyy riittävän korkeana passivoimaan inkluusio{14}}matriisin rajapinnan, mikä estää kuopan alkamisen.
**Skenaario{0}}Perustuva valintaopas: Telluurihapon pitoisuus titaanilämmittimille**
| Käyttökunto|Lämpövirta (kW/m²)|Vaadittu massan telluurihappopitoisuus|Odotettu kuoppa{0}}vapaa käyttöaika (tuntia)|Tekninen perustelu |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Vakiokiillotus, kohtalainen lämpövirta|30 – 40|8 % vähintään|3 000 – 5 000|Säilyttää pintapitoisuuden yli 6 % |
| Matala lämpövirta (konservatiivinen suunnittelu)|20 – 30|6 %|3 000 – 4 000|Alempi ΔT vähentää gradienttia; pienempi pitoisuus hyväksyttävä |
| Suuri lämpövirta (aggressiivinen lämmitys)|40 – 50|10 %|3 000 – 5 000|Korkeampi bulkkipitoisuus kompensoi korkeampaa pintalämpötilaa |
| Lyhytaikainen{0}}toiminta (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5 000|Korkean-puhtauden titaanissa on vähemmän inkluusiota; pienempi pitoisuus hyväksyttävä |
**Käytännön huomioita keskittymisen hallinnassa**
Telluurihappopitoisuuden pitäminen yli 8 %:ssa vaatii säännöllistä seurantaa ja täydennystä. Telluurihappo kuluu hitaasti pelkistyessään telluuridioksidiksi (TeO₂), joka saostuu. Kulutusaste on noin 0,1–0,2 % 1000 tuntia kohden 80 asteessa. Viikoittainen pitoisuusmittaus ICP-OES:llä tai titrauksella on suositeltavaa. Kun pitoisuus lähestyy 8 %, lisää telluurihappoa 9–10 %:n tason palauttamiseksi. Höyrystymishäviöt tulisi minimoida kelluvalla kannella tai palautusjäähdyttimellä; vesihäviö konsentroi rikkihapon, mutta ei lisää telluurihappoa suhteessa, koska telluurihappo kuluu pinnalla.
**Johtopäätös**
8-prosenttisessa telluurihapossa ja 2-prosenttisessa rikkihappoliuoksessa 80 asteessa puolijohdesubstraatin kiillotukseen 2-prosenttisissa titaanilämmityskierukoissa vaaditaan vähintään 8 %:n bulkkitelluhapon pitoisuus, jotta estetään pitoisuusgradientin -indusoitu galvaanisten solujen muodostuminen ja sitä seuraava pistesyöpyminen pintasulkeutumissa. Alle 8 %:n bulkkipitoisuuksilla pintapitoisuus putoaa alle 6 %:n, jolloin pitoisuussuhde on alle 0,75 ja galvaaninen virta yli 0,8 µA/cm² – riittää aiheuttamaan pistesyöpymisen sulkeutumissa 1000 tunnin sisällä. Insinöörien, jotka määrittelevät titaanilämmittimiä telluurihapon kiillotusliuoksille, tulisi pitää telluurihapon massa yli 8 % viikoittaisella seurannalla ja harkita korkean -puhtauden (HR-luokan) titaania kriittisissä sovelluksissa, joissa alhaisempia pitoisuuksia ei voida välttää. Tämä konsentraatiospesifikaatio estää galvaanisen pistesyöpymisen – vallitsevan vikatilan telluurihappolämmityssovelluksissa.
