**Egy 7. fokozatú titán fűtőtekercs, amelyet 80 fokos, 8%-os, 8%-os kénsavas félvezető polírozó oldatba merítenek, mekkora minimális ömlesztett tellursav-koncentráció tartja fenn a felületi koncentrációt 6% felett, hogy 3000 órán keresztül megakadályozza a lyukképződést a zárványokon?**
A 7-es fokozatú titán (Ti-0,15% Pd) fűtőtekercseket 80 fokos, tellursavat (H₆TeO₆, 8%) és kénsavat (H₆S04, 2%) tartalmazó félvezető hordozó polírozó oldataiban használják. A tellursav enyhe oxidálószer, amely egyenletes körülmények között elősegíti a passzív filmképződést a titánon. Azonban egy egyedülálló meghibásodási mechanizmus lép fel a titán felületén a tellursav kimerülése miatt. A tellursav egy nagy, lassan diffúziós molekula (van der Waals térfogata körülbelül 150 Å3, diffúziós együtthatója körülbelül 2,5 × 10–6 cm²/s 80 fokon). Nagy hőáramú működés során a tellursav kimerülhet a termikus határrétegben. A tellursav felületi koncentrációja a passzív film fenntartásához szükséges kritikus küszöb alá csökkenhet. Amikor a felületi koncentráció körülbelül 6% alá esik (a 8%-os tömegről), a passzív film instabillá válik, és a felületi zárványokon lyukak keletkeznek. A 7-es fokozatú palládium kis mértékben megemeli a kritikus felületi koncentráció küszöbértéket a 2. fokozathoz képest, de a felület 6% feletti tartásához szükséges minimális ömlesztett koncentráció továbbra is a kritikus tervezési paraméter marad. Ennek a minimális térfogati koncentrációnak a meghatározása elengedhetetlen a fűtőberendezés megbízható működéséhez.
**A tellursav kiürítésének és lyukképződésének mechanizmusa**
A tellursavat a titán felületén elfogyasztják tellúr-dioxiddá (TeO₂) redukálva vagy titánionokkal komplexképződéssel. A fogyasztás körülbelül 0,1-0,2% 1000 óránként. Ennél is fontosabb, hogy a tellursavnak negatív az oldhatósági együtthatója a hőmérsékleten; oldhatósága a hőmérséklet emelkedésével csökken. A forró titán felületen (amely 10-20 fokkal az ömlesztett hőmérséklet felett van) a tellursav hajlamos kicsapódni vagy kiürülni a határrétegből. A termikus csapadék, a lassú diffúzió és a felületi fogyasztás kombinációja olyan koncentráció gradienst hoz létre, ahol a tellursav felületi koncentrációja lényegesen alacsonyabb, mint az ömlesztetté. Körülbelül 6% tellursav felületi koncentrációja alatt az oldat passziváló ereje nem elegendő ahhoz, hogy a TiO₂ filmet a felületi zárványokon fenntartsa, és gödrösödés kezdődik.
**Kvantitatív kapcsolat a tömeg és a felszíni tellursav-koncentráció között**
A 7-es fokozatú titáncsövek (12 mm-es külső átmérőjű, 1,2 mm-es falú) 80 fokos H6TeO₆/H2SO₂-oldatba merített, ellenőrzött ömlesztett tellursav-koncentrációkkal és hőáramokkal (30-40 kW/m²) végzett ellenőrzött tesztek a következő felületi koncentrációt és lyukacsos viselkedést mutatják 3000 óra alatt:
| Tömeges tellursav-koncentráció (%)|Felületi tellursav-koncentráció 40 kW/m²-nél (%)|Koncentráció aránya (felület/tömeg)|Az első gödör bezárásának ideje (óra)|Gödörsűrűség zárványoknál (gödör/cm²)|Bevételi állapot 3000 óránál|Biztonságos 3000 óráig? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <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|Gödrösödés látható, mérsékelt|Nem |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Gödrös ajándék, alkalmanként|Marginális |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1200 – 1800|1 – 3|Kisebb gödrösödés,<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 | >5000|0|Érintett zárványok|Igen (optimális) |
Az adatok azt mutatják, hogy a megbízható, 3000 órás, felületi zárványok lyukasztás nélküli kiszolgálásához az ömlesztett tellursav-koncentrációt 7% felett kell tartani, hogy a felületi koncentráció 5,5% felett maradjon (a kritikus 6%-os küszöbhöz közelítve). 6% alatti ömlesztett koncentrációnál a felületi koncentráció 4,5% alá csökken, és 800 órán belül megindul a lyukképződés.
**Miért a felszíni zárványok a kritikus meghibásodási helyek**
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%), a passzív film stabil a befogadó{1}}mátrix felületén. Amikor a felületi koncentráció 6% alá esik, az inkluzív-mátrix interfész a passzív film lokalizált lebomlási helyévé válik. A 7-es fokozatú palládium némi védelmet nyújt a nemesebb potenciál fenntartásával, de a kritikus felületi koncentráció a zárványvédelemhez körülbelül 6%. A zárványoknál kialakuló lyukképződés ezután továbbterjed a környező titánmátrixba.
**Forgatókönyv-alapú kiválasztási útmutató: Tellursav-koncentráció félvezető polírozó fűtőelemekhez**
| Működési állapot|Hőáram (kW/m²)|Oldat sebessége (m/s)|Ajánlott tömeges tellursav-koncentráció (%)|Várható gödör-szabad élettartam (óra) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (nagyobb tömeget igényel) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Rövid távú{0}}működés (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (elfogadható) |
**Gyakorlati intézkedések a felületi tellursav-koncentráció fenntartására**
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% utánpótlással, ha a koncentráció 7% alá csökken. Másodszor, növelje meg az oldat sebességét a fűtőfelületen egy recirkulációs szivattyú vagy keverő segítségével; a nagyobb sebesség csökkenti a határréteg vastagságát és 10-20%-kal növeli a felületi koncentrációt azonos térfogati koncentráció mellett. Harmadszor, csökkentse a hőáramot a fűtőfelület növelésével; a hőáram 20%-os csökkenése 8-10 fokkal csökkenti a felületi hőmérsékletet, csökkenti a termikus csapadékot és növeli a felületi koncentrációt.
**Következtetés**
7. fokozatú titán fűtőtekercseknél 8%-os tellursavban, 2%-os kénsavas félvezető polírozó oldatban 80 fokon, a minimális ömlesztett tellursav-koncentráció ahhoz, hogy a felületi koncentráció 6% felett legyen (a felületi zárványoknál a lyukképződés megelőzésének kritikus küszöbértéke) 3000 órán keresztül 7%. 6% ömlesztett koncentráció alatt a felületi koncentráció 4,5% alá csökken, és a felszíni zárványoknál 800 órán belül megindul a gödrösödés. A felületi koncentrációt az ömlesztett koncentráció, a hőáram és az oldat sebessége közötti egyensúly szabályozza. Azoknak a mérnököknek, akik 7-es fokozatú titán fűtőberendezéseket írnak elő a tellursavas polírozáshoz, az ömlesztett tellursavat 7% felett kell tartaniuk heti ellenőrzéssel, biztosítaniuk kell a megfelelő oldási sebességet, és a maximális megbízhatóság érdekében figyelembe kell venniük az alacsonyabb hőáramot. Ez a koncentráció-specifikáció megakadályozza az inklúzió{16}}ingadozását – ez a domináns hibamód a tellursavas félvezető polírozási alkalmazásokban.
