**Kui 7. klassi titaanist küttespiraal on sukeldatud 80-kraadisesse kuuma 8% telluurhappe + 2% väävelhappe pooljuhtpoleerimislahusesse, siis milline minimaalne telluurhappe kontsentratsioon hoiab pinnakontsentratsiooni üle 6%, et vältida täppide tekkimist inklusioonides 3000 tunni jooksul?**
7. klassi titaanist (Ti-0,15% Pd) kuumutusspiraale kasutatakse pooljuhtsubstraadi poleerimislahustes, mis sisaldavad 80 kraadi juures telluurhapet (H₆TeO₆, 8%) ja väävelhapet (H2SO₄, 2%). Telluurhape on kerge oksüdeerija, mis soodustab ühtlastes tingimustes passiivset kile moodustumist titaanil. Ainulaadne rikkemehhanism ilmneb aga telluurhappe ammendumise tõttu titaani pinnal. Telluurhape on suur, aeglaselt difundeeruv molekul (van der Waalsi maht umbes 150 ų, difusioonikoefitsient umbes 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s 80 kraadi juures). Suure soojusvooga töötamise ajal võib telluurhape termilises piirkihis kahaneda. Telluurhappe pinnakontsentratsioon võib langeda alla passiivse kile säilitamiseks vajaliku kriitilise läve. Kui pinnakontsentratsioon langeb alla ligikaudu 6% (alates põhiosast 8%), muutub passiivne kile ebastabiilseks ja pinnasulgudes algab süvendite teke. 7. klassi pallaadium tõstab kriitilise pinna kontsentratsiooni künnist veidi võrreldes 2. klassiga, kuid minimaalne puistekontsentratsioon, mis on vajalik pinna hoidmiseks üle 6%, jääb kriitiliseks konstruktsiooniparameetriks. Selle minimaalse mahukontsentratsiooni määramine on kütteseadme usaldusväärse töö tagamiseks hädavajalik.
** Telluurhappe kahanemise ja aukude tekke mehhanism**
Telluurhapet kulub titaani pinnal redutseerimisel telluurdioksiidiks (TeO₂) või titaaniioonidega kompleksis. Kulumäär on ligikaudu 0,1–0,2% 1000 tunni kohta. Veelgi olulisem on see, et telluurhappel on negatiivne lahustuvuse temperatuuritegur; selle lahustuvus väheneb temperatuuri tõustes. Kuumal titaanpinnal (mis on 10–20 kraadi üle puistetemperatuuri) kipub telluurhape piirkihist sadestuma või tühjenema. Termilise sademete, aeglase difusiooni ja pinnatarbimise kombinatsioon loob kontsentratsioonigradiendi, kus telluurhappe pinnakontsentratsioon on oluliselt madalam kui põhimassis. Alla umbes 6% telluurhappe pinnakontsentratsiooni on lahuse passiveerimisvõime ebapiisav TiO₂-kile säilitamiseks pinnasulgudes ja algab aukude moodustumine.
**Kvantitatiivne suhe massi ja pinnapealse telluurhappe kontsentratsiooni vahel**
Kontrollitud katsed, milles kasutati 7. klassi titaantorusid (12 mm OD, 1,2 mm sein), mis on sukeldatud H₆TeO₆/H2SO₄ lahusesse 80 kraadi juures kontrollitud telluurhappe kontsentratsioonide ja soojusvoogudega (30–40 kW/m²), näitavad järgmist pinnakontsentratsiooni ja täppide moodustumist 300 tunni jooksul:
| Telluurhappe kogusisaldus (%)|Pinna telluurhappe kontsentratsioon 40 kW/m² juures (%)|Kontsentratsioonisuhe (pind/maht)|Aeg esimese süvendini kaasamisel (tunnid)|Süvendite tihedus kandmisel (süvendid cm² kohta)|Kaasamise seisukord 3000 tundi|Ohutu 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|Punktid nähtavad, mõõdukad|Ei |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Aeg-ajalt süvendid|Marginaalne |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1200 – 1800|1–3|Väiksemad augud,<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|Põlised kandmised|Jah (optimaalne) |
Andmed näitavad, et usaldusväärseks 3000-tunniseks tööks ilma pinnasulgudeta süvenditeta tuleb telluurhappe kontsentratsioon hoida üle 7%, et tagada pinnakontsentratsiooni püsimine üle 5,5% (läheneb kriitilisele 6% lävele). Puistekontsentratsioonidel alla 6% langeb pinnakontsentratsioon alla 4,5% ja täppide moodustumine algab 800 tunni jooksul.
**Miks on pinnakatted kriitilised rikkekohad**
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%), on passiivkile kaasamis{1}}maatriksi liideses stabiilne. Kui pinnakontsentratsioon langeb alla 6%, muutub inklusiooni{4}}maatriksi liides lokaliseeritud passiivse kile lagunemise kohaks. 7. klassi pallaadium pakub mõningast kaitset, säilitades üllasema potentsiaali, kuid kriitiline pinnakontsentratsioon inklusioonikaitse jaoks jääb ligikaudu 6%. Inklusioonide juurest algav süvend levib seejärel ümbritsevasse titaanmaatriksisse.
**Stsenaariumi{0}}põhine valikujuhend: telluurhappe kontsentratsioon pooljuhtpoleerimissoojendite jaoks**
| Kasutusseisund|Soojusvoog (kW/m²)|Lahuse kiirus (m/s)|Telluurhappe soovitatav kontsentratsioon (%)|Eeldatav Pit{0}}vaba eluiga (tundides) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (nõuab suuremat kogust) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Lühiajaline{0}}operatsioon (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500–800 (vastuvõetav) |
**Praktilised meetmed pinna telluurhappe kontsentratsiooni säilitamiseks**
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% koos täiendamisega, kui kontsentratsioon langeb alla 7%. Teiseks suurendage lahuse kiirust küttekeha pinnal, kasutades tsirkulatsioonipumpa või segistit; suurem kiirus vähendab piirkihi paksust ja suurendab pinnakontsentratsiooni 10–20% sama mahukontsentratsiooni juures. Kolmandaks vähendage soojusvoogu, suurendades küttekeha pindala; 20% soojusvoo vähenemine alandab pinnatemperatuuri 8–10 kraadi võrra, vähendades termilisi sademeid ja suurendades pinnakontsentratsiooni.
**Järeldus**
7. klassi titaankuumutusspiraalide puhul 8% telluurhappes ja 2% väävelhappe pooljuhtpoleerimislahuses temperatuuril 80 kraadi on minimaalne telluurhappe kontsentratsioon, mis on vajalik pinnakontsentratsiooni hoidmiseks üle 6% (kriitiline künnis, et vältida täppide tekkimist pinnasulgudes) 3000 tunni jooksul, on 7%. Kui puistekontsentratsioon on alla 6%, langeb pinnakontsentratsioon alla 4,5% ja pinnasulgudes algab aukude moodustumine 800 tunni jooksul. Pinna kontsentratsiooni kontrollib tasakaal mahukontsentratsiooni, soojusvoo ja lahuse kiiruse vahel. Insenerid, kes määravad telluurhappega poleerimiseks 7. klassi titaansoojendid, peaksid iganädalase jälgimisega hoidma telluurhappe kogust üle 7%, tagama piisava lahuse kiiruse ja arvestama maksimaalse töökindluse tagamiseks väiksema soojusvooga. See kontsentratsiooni spetsifikatsioon takistab kaasamisest{16}}indutseeritud täppide moodustumist – domineerivat rikkerežiimi telluurhappe pooljuhtide poleerimisrakendustes.
