**A félvezető polírozáshoz 80 fokos forró 10%-os tellursav + 5%-os kénsav-oldatba merített titánburkolatú fűtőberendezésben mekkora minimális ömlesztett tellursav-koncentráció tartja fenn a felületi koncentrációt 6% felett, hogy 3000 órán keresztül megakadályozza a felületi zárványokon a gödrösödést?**
A 2. fokozatú titánburkolatú fűtőtesteket félvezető hordozók polírozására használják, ahol az oldat 10% tellursavat (H6TeO₆) és 5% kénsavat (H2SO4) tartalmaz 80 fokon. A tellursav enyhe oxidálószer, amely egyenletes körülmények között elősegíti a passzív filmképződést a titánon. Azonban a titán felületén a tellursav kimerülése miatt meghibásodási mechanizmus lép fel. A tellursav egy nagy, lassan{7}}diffundáló molekula (van der Waals térfogata körülbelül 150 ų, 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 (10%-os tömegről), a passzív film instabillá válik, és a felületi zárványokon gödörképződés indul meg. A fűtőberendezés megbízható működéséhez elengedhetetlen a minimális ömlesztett tellursav-koncentráció meghatározása, amely a felületi koncentrációt 6% felett tartja.
**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 2-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? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <6 | <3.5 | <0.58 | 100 – 200 | 8 – 15 | Severe pitting at inclusions | No |
| 6 – 7|3,5 – 4,5|0,58 – 0,64|200 – 400|5 – 10|Gödrösödés látható, mérsékelt|Nem |
| 7 – 8|4,5 – 5,5|0,64 – 0,69|500 – 800|3 – 6|Gödrös ajándék, alkalmanként|Marginális |
| 8 – 9|5,5 – 6,5|0,69 – 0,72|1200 – 1800|1 – 3|Kisebb gödrösödés,<10% of inclusions | Yes (threshold) |
| 9 – 10 | 6.5 – 7.5 | 0.72 – 0.75 | 2,500 – 3,500 | <1 | No visible pitting | Yes (safe) |
| >10 | >7.5 | >0.75 | >5000|0|Érintett zárványok|Igen (optimális) |
Az adatok azt mutatják, hogy a megbízható, 3000 órás, felületi zárványok lyukasztás nélküli kiszolgálásához az ömlesztett tellursav-koncentrációt 9% felett kell tartani, hogy a felületi koncentráció 6% (körülbelül 6,5%) felett maradjon. 8% alatti ömlesztett koncentrációnál a felületi koncentráció 6% alá csökken, és 800 órán belül megindul a lyukképződés.
**Miért a felszíni zárványok a kritikus meghibásodási helyek**
Grade 2 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 zárványoknál kialakuló lyukképződés ezután továbbterjed a környező titánmátrixba. A tellursav felületi koncentrációja ezért a kritikus paraméter az inklúzió{7}}indukálta lyukképződés megelőzésében.
**Forgatókönyv-alapú kiválasztási útmutató: Tellursav-koncentráció félvezető polírozó fűtőtestekhez**
| 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 | >9% | >3000 |
| Extended campaign (>5000 hours) | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >10% | >5000 |
| Low heat flux (conservative) | 20 – 25 | 0.3 – 0.5 | >8% | >3000 |
| High heat flux (aggressive) | 45 – 55 | 0.3 – 0.5 | >11% | >3000 (nagyobb tömeget igényel) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >8% | >4000 |
| Rövid távú{0}}működés (<1000 hours) | Any | Any | >7%|500 – 800 (elfogadható) |
**Gyakorlati intézkedések a felületi tellursav-koncentráció fenntartására**
Three practical measures maintain the surface telluric acid concentration above 6%. First, monitor bulk telluric acid concentration weekly by ICP-OES or titration; the target is >9% utánpótlással, ha a koncentráció 9% 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**
A félvezető polírozáshoz 80 fokos 10%-os tellursavba és 5%-os kénsavoldatba merített titánburkolatú fűtőtesteknél a minimális ömlesztett tellursav-koncentráció ahhoz, hogy a felületi koncentráció 6% felett legyen (a felületi zárványoknál a lyukképződés megelőzésének kritikus küszöbe) 3000 órán keresztül 9%. 8% ömlesztett koncentráció alatt a felületi koncentráció 6% 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 titán fűtőelemeket írnak elő a tellursavas polírozáshoz, heti ellenőrzéssel 9% felett kell tartaniuk az ömlesztett tellursavat, biztosítaniuk kell a megfelelő megoldási sebességet, és figyelembe kell venniük az alacsonyabb hőáramot a maximális megbízhatóság érdekében. Ez a koncentráció-specifikáció megakadályozza az inklúziós{14}}pontképződést – ez a domináns hibamód a tellursavas félvezető polírozási alkalmazásokban.
