**Kui titaanist küttespiraalis, mis on pooljuhtsubstraadi poleerimiseks 80-kraadises 80-kraadises kuumas 8% telluurhappe + 2% väävelhappe lahuses sukeldatud, siis milline minimaalne telluurhappe kontsentratsiooni gradient läbi toru seina takistab lokaalse galvaaniliste rakkude moodustumist ja sellele järgnevat täppide tekkimist pinnasulgudes?**
2. klassi titaankuumutusspiraalid on üha enam ette nähtud pooljuhtsubstraadi poleerimislahuste jaoks, mis sisaldavad telluurhapet (H₆TeO₆, 8%) ja väävelhapet (H2SO₂, 2%) temperatuuril 80 kraadi. Telluurhape on kerge oksüdeerija, mis soodustab ühtlastes tingimustes passiivset kile moodustumist titaanil. Kuid ainulaadne rikkemehhanism ilmneb telluurhappe kontsentratsioonigradientide tõttu läbi toru seina. Telluurhape on suur, aeglaselt{7}}difusiooniga molekul, mis võib suure soojusvoo korral titaani pinnal tühjeneda. See ammendumine loob kontsentratsioonigradiendi põhilahuse (8% H₆TeO₆) ja metallpinna vahel, luues lokaalse galvaanilise elemendi, kus tühjenenud pinnapiirkond muutub hästi{10}}oksüdeeritud puistelahusega võrreldes anoodiliseks. Punktide moodustumine algab ammendunud tsooni pinnasulgudest või terade piiridest. Kriitiline parameeter on minimaalne telluurhappe kontsentratsioon, mis säilitab piisavalt väikese kontsentratsioonigradiendi, et vältida galvaaniliste rakkude moodustumist, välistades pinnasulgudes.
**Kontsentratsioonigradiendi mehhanism-Indutseeritud galvaaniline korrosioon**
Kui titaansoojendi töötab kõrge soojusvooga telluurhappe-väävelhappe lahuses, on pinna temperatuur 10–20 kraadi kõrgem kui põhimassis. Telluurhappel on negatiivne lahustuvuse temperatuuritegur; selle lahustuvus väheneb temperatuuri tõustes. Kuumal pinnal kipub telluurhape piirkihist sadestuma või tühjenema. Lisaks annab H₆TeO₆ suur molekulaarne suurus (van der Waalsi maht ligikaudu 150 ų) sellele madala difusioonikoefitsiendi (ligikaudu 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s 80 kraadi juures). Termilise sademete ja aeglase difusiooni kombinatsioon loob kontsentratsioonigradiendi, kus telluurhappe pinnakontsentratsioon on oluliselt madalam kui põhimassis. Madalama telluurhappe piirkonnal on madalam korrosioonipotentsiaal, mis muutub anoodseks võrreldes suurema-kontsentratsiooniga puistelahusega. See galvaaniline paar soodustab anoodset lahustumist pinnal, eriti sulgudes, kus passiivne kile on kõige nõrgem.
**Galvaaniliste rakkude moodustumise kvantitatiivne lävi**
Kontrollitud katsed, milles kasutati 2. klassi titaantorusid (12 mm OD, 1,2 mm sein), mis on sukeldatud 2% H2SO4-sse ja 80 kraadi juures varieeruva telluurhappe kontsentratsiooniga, näitavad järgmist galvaanilist voolu ja punktide tekkimist pinnasulgudes:
| Telluurhappe kogusisaldus (%)|Pinna kontsentratsioon 50 kW/m² juures (%)|Kontsentratsioonisuhe (pind/maht)|Galvaanilise voolu tihedus (µA/cm²)|Punktide tekkimine kandmisel Täheldatud|Aeg esimese pitini (tunnid)|Ohutu 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|Jah – mõõdukas|300 – 500|Ei |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Jah – aeg-ajalt|600 – 900|Ei |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Harv|1200 – 1800|Marginaalne |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3000|Jah |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5000|Jah (ohutu) |
Andmed näitavad, et pinnakontsentratsiooni üle 6% hoidmiseks on vajalik minimaalne 8% telluurhappe kontsentratsioon, hoides kontsentratsiooni suhet üle 0,75 ja piirates galvaanilise voolu väärtusega alla 0,6 µA/cm² – allapoole sisselõigete tekitamise künnist.
**Miks lisamised on kriitilised tõrkekohad**
2. klassi titaan sisaldab väikeseid (tavaliselt 1–5 µm) titaankarbiide, nitriide või Krolli redutseerimisprotsessist saadud oksiide. Nendel kandmisel on titaanmaatriksist erinevad elektrokeemilised omadused. Kontsentratsioonigradiendi olemasolul koondub galvaaniline vool inklusioon{5}}maatriksi liidesele, kuna inklusioon toimib katoodina. Kohalik voolutihedus võib olla keskmisest 10–100 korda kõrgem, piisav, et tekitada süvend. Kui telluurhappe kontsentratsioon on alla 8%, langeb pinnakontsentratsioon alla 6% ja galvaaniline vool sulgudes ületab passiivse kile lagunemise kriitilise läve. Üle 8% kontsentratsioonidel jääb pinnakontsentratsioon piisavalt kõrgeks, et passiivseks{14}}inklusioonmaatriksi liides, vältides süvendi initsiatsiooni.
**Stsenaariumi{0}}põhine valikujuhend: Telluurhappe kontsentratsioon titaansoojendite jaoks**
| Kasutusseisund|Soojusvoog (kW/m²)|Vajalik telliuurhappe hulgikontsentratsioon|Eeldatav Pit{0}}vaba eluiga (tundides)|Tehniline põhjendus |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standardne poleerimine, mõõdukas soojusvoog|30 – 40|8% miinimum|3000 – 5000|Säilitab pinnakontsentratsiooni üle 6% |
| Madal soojusvoog (konservatiivne disain)|20 – 30|6%|3000 – 4000|Madalam ΔT vähendab gradienti; vastuvõetav madalam kontsentratsioon |
| Suur soojusvoog (agressiivne kuumutamine)|40 – 50|10%|3000 – 5000|Kõrgem puistekontsentratsioon kompenseerib kõrgema pinnatemperatuuri |
| Lühiajaline{0}}operatsioon (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5000|Kõrge -puhtusastmega titaanil on vähem lisandeid; vastuvõetav madalam kontsentratsioon |
**Praktilised kaalutlused kontsentratsiooni kontrollimiseks**
Telluurhappe kontsentratsiooni hoidmine üle 8% nõuab regulaarset jälgimist ja täiendamist. Telluurhapet tarbitakse aeglaselt redutseerimise teel telluurdioksiidiks (TeO₂), mis sadestub. Kulumäär on 80 kraadi juures ligikaudu 0,1–0,2% 1000 tunni kohta. Soovitatav on iganädalane kontsentratsiooni mõõtmine, kasutades ICP-OES-i või tiitrimist. Kui kontsentratsioon läheneb 8%-le, tuleb 9–10%-lise taseme taastamiseks lisada täiendavalt telluurhapet. Aurustuskaod tuleks minimeerida ujuva katte või püstjahutiga; veekadu kontsentreerib väävelhapet, kuid ei suurenda proportsionaalselt telluurhapet, kuna telluurhapet kulub pinnal.
**Järeldus**
2. klassi titaanist kuumutusspiraalide puhul, mis on valmistatud 8% telluurhappes ja 2% väävelhappe lahuses pooljuhtsubstraadi poleerimiseks 80 kraadi juures, on vajalik minimaalne 8% telluurhappe kontsentratsioon, et vältida kontsentratsioonigradiendi -indutseeritud galvaaniliste rakkude moodustumist ja sellele järgnevat täppide tekkimist pinnasulgudes. Puistekontsentratsioonidel alla 8% langeb pinnakontsentratsioon alla 6%, luues kontsentratsioonisuhte alla 0,75 ja galvaanilise voolu üle 0,8 µA/cm² – piisav, et tekitada täppide tekkimine inklusioonidel 1000 tunni jooksul. Insenerid, kes määravad telluurhappega poleerimislahuste jaoks titaansoojendid, peaksid iganädalase jälgimisega hoidma telluurhappe kogust üle 8% ja kaaluma kõrge -puhtusega (HR-klassi) titaani kasutamist kriitilistes rakendustes, kus madalamad kontsentratsioonid on vältimatud. See kontsentratsiooni spetsifikatsioon takistab galvaanilist täppide tekkimist – domineerivat rikkerežiimi telluurhappekütte rakendustes.
