Äärmuslik keskkond
Segahappesöövitus pooljuhtide, kosmosesõidukite ja metallide viimistlusrakenduste jaoks kasutab lämmastikhappe ja vesinikfluoriidhappe kombinatsioone temperatuuril 60–90 kraadi. See keskkond ründab peaaegu kõiki metalle. Lämmastikhape annab tugeva oksüdeeriva toime. Vesinikfluoriidhape annab fluoriidiioone, mis moodustavad enamiku metallikatioonidega stabiilsed lahustuvad kompleksid, hävitades kõik passiivsed kile, mis muidu pinda kaitsta võiksid.
Tantaal on üks väheseid metalle, millel on selle keskkonna suhtes kasulik vastupidavus. Tantaal-volframisulam (Ta-2,5 W või Ta-10 W) parandab puhta tantaali juba niigi suurepärast korrosioonikindlust tahke lahuse tugevdamise kaudu, mis suurendab ka vastupidavust fluoriidirünnakule. Need sulamid esindavad metallilise korrosioonikindluse tippu segahapete teeninduses.
PTFE on mõlema happe suhtes immuunne. Võrreldakse parimat saadaolevat metallmaterjali-, millel on mõõdetav ja piiratud korrosioonikindlus-, ja polümeeri, mis selles keskkonnas ei saa korrodeeruda.
Tantaal{0}}Volframi korrosioonimehhanism kõrgsageduslikus kõrgsageduses
Tantaal talub HF-i paremini kui ükski teine kaubanduslik metall, välja arvatud iriidium ja plaatina. Selle Ta₂O5 passiivkile on üks kõige keemiliselt vastupidavamaid teadaolevaid oksiide. Volframi lisand tugevdab sulamit ja parandab veidi vastupidavust fluoriidirünnakule, muutes passiivkile elektroonilist struktuuri.
Tantaali{0}}volframisulam ei ole aga HF-i suhtes immuunne. 80 kraadi juures HNO₃-HF segudes lahustub passiivne kile kiirusega 0,005-0,02 mm/aastas. Lahustuvus on üldiselt ühtlane, kuid võib lokaliseerida pinnadefektide, terade piiride või mehaaniliste kahjustuste korral. Passiivse kile läbistav kriimustus muutub kiirendatud rünnaku kohaks, kuni kile uuesti moodustub.
Ühtne lahustumiskiirus on korrosioonivaruga juhitav. Oht on lokaalne rike. Kui tööriistast saadud pisike rauaosake satub valmistamise või hoolduse käigus tantaali pinnale, moodustab see aktiivse galvaanilise elemendi. Eelistatavalt korrodeerub rauaosakese ümber olev tantaal. Happesegu ja galvaanilise liikumapaneva jõu koosmõjul tekib ja levib süvend.
Tabel 1: Segahappe korrosioonikindluse võrdlus (20% HNO₃ + 5% HF, 80 kraadi)
| Korrosiooni parameeter | Tantaal-Volfram (Ta-2,5 W) | PTFE |
|---|---|---|
| Korrosioonikaitse mehhanism | Ta₂O5 passiivkile | Loomulik C-F sideme stabiilsus |
| Ühtlane korrosioonikiirus (mm/aastas) | 0.005-0.02 | 0 |
| Kohalik korrosioonioht | Madal, kuid mitte null (tundlikkus Fe saastumise suhtes) | Mitte ühtegi |
| Tundlikkus HF kontsentratsiooni suurenemise suhtes | Mõõdukas (määr võrdeline [HF]-ga) | Mitte ühtegi |
| Tundlikkus temperatuuri tõusule | Kõrge (kiirus kahekordistub 10-15 kraadi kohta) | Puudub (alla 260 kraadi) |
| Materjali maksumus (suhteline) | 30-50× | 1× |
| Valmistamise keerukus | Äärmiselt kõrge (spetsiaalne keevitamine; puhta ruumi tingimused) | Mõõdukas |
| Soojusjuhtivus (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Nõutav suhteline pindala | 1,0 × (alustase) | 3-4× |
| Kasutusaja prognoositavus | Mõõdukas (stohhastiline täkkerisk) | Kõrge (libisemis{0}}põhine arvutus) |
| Ebaõnnestumise tagajärg | Äkiline nööpaugu leke; protsessi saastumine | Järk-järguline; tuvastatav paksuse mõõtmisega |
Valmistamise ja kulude tegelikkus
Tantaal-volframisulam on üks kallimaid keemiaseadmetes kasutatavaid tehnilisi materjale. Tooraine maksumus on 30-50 korda suurem kui PTFE oma kilogrammi kohta. Valmistamine nõuab spetsiaalset keevitamist kõrge puhtusastmega inertses atmosfääris, sageli puhtas ruumis, et vältida pinna saastumist, mis võib põhjustada korrosiooni. Keevitajad peavad olema sertifitseeritud spetsiaalselt tulekindlate metallide keevitamiseks. Iga keevisõmbluse mittepurustav kontroll on kohustuslik.
Valmistatud soojusvaheti maksumus on 10{2}}20 korda suurem kui PTFE ekvivalendina sama soojustarbe korral. Selle lisatasu eest ostetakse soojusvaheti, mis on tänu tantaali soojusjuhtivusele 54 W/m·K kompaktne-, kuid mis korrodeerub siiski aeglaselt ja sellega kaasneb lokaalse rünnaku oht.
Sama töö jaoks mõeldud PTFE-soojusvahetid on pindalaga -3–4 korda suuremad, kuid maksavad murdosa vähem ja neil puudub korrosioonirisk. Kui paigaldusruum mahutab suurema jalajälje, on majanduslik valik ühemõtteline.
Protsessi saastumise oht
Tantaali korrosioon vabastab söövituslahusesse tantaaliioone. Pooljuhtide ja ülitäpsete metallide viimistlusrakenduste puhul võib metalliioonide saastumine osades-miljardi kohta- mõjutada protsessi kvaliteeti. Tantaali lahustumiskiirus 0,01 mm aastas tähendab pidevat, madalal tasemel{6}}tantaali saasteallikat.
PTFE ei vabasta metalliioone. See ei sisalda metalle. Söövituslahus jääb kogu seadme eluea jooksul vabaks soojusvahetist-tuletatud metallilisest saastumisest-. Saastetundlike protsesside{5}} puhul on see otsustav eelis, sõltumata kuludest.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetid on immuunsed segatud HNO₃-HF-happesöövituslahustele temperatuuril 80 kraadi, samas kui tantaal-volframisulam korrodeerub aeglaselt kile passiivse lahustumise tõttu ja sellega kaasneb lokaalse galvaanilise rünnaku oht. Tantaal-volframi materjalikulu on 30–50 korda kõrgem kui PTFE; valmistatud seadmete maksumus on 10-20 korda kõrgem.
PTFE vajab 3-4-kordset pinda samaväärse soojuskoormuse jaoks. Kui paigaldusruumi on saadaval, pakub PTFE madalamaid kulusid, nulli korrosiooniriski ja kaitset metalliioonide saastumise eest. Tantaal-volfram on reserveeritud rakendustele, kus ruumipiirangud või mehaanilised nõuded välistavad suurema PTFE jalajälje.
Segahappesöövituse soojusvaheti materjali valiku tehniline analüüs on saadaval happe kontsentratsiooni, töötemperatuuri, soojusvõimsuse, olemasoleva paigaldusruumi ja metalli saastumise tundlikkuse esitamisel.
