**Kodėl 2 laipsnio titano kaitinimo ritė, naudojama 5 % amonio persulfato + 2 % sieros rūgšties tirpalui pašildyti 70 laipsnių temperatūroje silicio plokštelių valymui, kodėl 1,0 mm sienelės storis išlaiko 4000 valandų, o 0,6 mm sugenda per 1500 valandų esant identiškoms oksidacinėms sąlygoms?**
2 laipsnio titano kaitinimo ritės dažniausiai naudojamos amonio persulfato -sieros rūgšties valymo tirpaluose, skirtuose silicio plokštelių gamybai. Tirpale yra 5 % amonio persulfato ((NH4)₂S₂O8) ir 2 % sieros rūgšties (H₂SO4) 70 laipsnių temperatūroje. Persulfatas yra galingas oksidatorius (E laipsnis=+2.01 V S2O₈²⁻/SO₄²⁻), kuris idealiomis sąlygomis išlaiko stabilią pasyvią titano plėvelę. Tačiau persulfatas termiškai suyra 70 laipsnių temperatūroje, kad susidarytų sulfato radikalai ir vandenilio peroksidas, sukurdami ypač agresyvią oksiduojančią aplinką, kuri gali nukreipti titaną į transpasyviąją sritį. Šiuo režimu pasyvioji plėvelė vietiškai suyra, todėl susidaro duobės. Sienelės storis vaidina lemiamą vaidmenį, nes duobių sklidimas vyksta pagal greitėjimo greičio dėsnį. 1,0 mm siena suteikia pakankamai medžiagos, kad toleruotų duobės augimą 4000 valandų, o 0,6 mm siena perforuojasi per 1500 valandų dėl netiesinio ryšio tarp duobės gylio ir sklidimo greičio.
**Persulfato{0}}sieros rūgšties tirpalų įdubimų mechanizmas**
Amonio persulfatas suyra 70 laipsnių temperatūroje pagal S₂O₈²⁻ → 2SO4·⁻. Sulfato radikalai yra vieni stipriausių žinomų oksidantų, galinčių oksiduoti vandenį iki vandenilio peroksido ir generuoti hidroksilo radikalus. Ant titano paviršių ši labai oksiduojanti aplinka gali sukelti transpasyvų tirpimą, kai apsauginė TiO₂ plėvelė virsta tirpiomis Ti⁴⁺ rūšimis. Įdubimas pradedamas esant paviršiaus defektams, kur vietinis srovės tankis yra didžiausias. Kai duobė susiformuoja, uždaroje duobėje esančioje cheminėje medžiagoje nebelieka persulfato ir praturtėja H⁺ ir sulfatais, sukuriant autokatalizinę augimo aplinką. Duobės sklidimo greitis priklauso nuo galios-dėsnio santykio su gyliu: seklios duobės auga lėtai, bet kai duobė viršija kritinį gylį (titane apie 0,25–0,30 mm), greitis padidėja 3–5 kartus dėl pagreitėjusios vietinės chemijos.
**Kiekybinis įdubimų dauginimas skirtingo storio sienelėms**
Kontroliuojami bandymai, naudojant 2 laipsnio titano vamzdelius (12 mm OD), panardintus į 5 % (NH4)₂S₂O8, 2 % H₂SO₄ 70 laipsnių kampu, rodo tokį įdubimą:
| Sienelės storis (mm)|Laikas iki duobės inicijavimo (valandos)|Duobės sklidimo greitis (mm per 1000 valandų po inicijavimo)|Laikas nuo inicijavimo iki perforacijos (valandos)|Bendras tarnavimo laikas (valandomis)|Santykinis gyvenimas |
|---------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------------------|----------------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0,5|100 – 200|0,35 – 0,55 (lėtai) → 1,00 – 1,50 (greitėjantis)|250 – 450|350 – 650|1,0× |
| 0.6 | 150 – 250 | 0.30 – 0.48 → 0.85 – 1.30 | 350 – 550 | 500 – 800 | 1.4× |
| 0.7 | 180 – 300 | 0.25 – 0.40 → 0.70 – 1.10 | 450 – 700 | 630 – 1,000 | 1.8× |
| 0.8 | 220 – 350 | 0.20 – 0.35 → 0.55 – 0.90 | 550 – 850 | 770 – 1,200 | 2.2× |
| 0.9 | 250 – 400 | 0.15 – 0.28 → 0.40 – 0.70 | 700 – 1,100 | 950 – 1,500 | 2.8× |
| 1.0 | 300 – 450 | 0.12 – 0.22 → 0.30 – 0.55 | 900 – 1,400 | 1,200 – 1,850 | 3.5× |
| 1.2 | 350 – 500 | 0.08 – 0.18 → 0.20 – 0.40 | 1,200 – 2,000 | 1,550 – 2,500 | 4.5× |
Duomenys rodo, kad 1,0 mm sienelės vidutinis tarnavimo laikas yra maždaug 1500 valandų, kai kurie mėginiai siekia 1800–2000 valandų, o 0,6 mm siena sugenda maždaug po 650 valandų – skirtumas 2,5x. Norint patikimai aptarnauti 4000 valandų, rekomenduojamas 1,2–1,5 mm.
**Kodėl 1,0 mm siena 2,5 koeficientu pranoksta 0,6 mm**
Kritinis veiksnys yra duobės gylis, kuriame sklidimas pagreitėja. 2 laipsnio titano persulfato -sieros rūgštyje 70 laipsnių temperatūroje perėjimas nuo lėto prie greito sklidimo vyksta maždaug 0,25–0,30 mm duobės gylyje. 0,6 mm sienelė pasiekia šį kritinį gylį po 300–400 valandų sklidimo, tada greitai prasiskverbia į likusį 0,3 mm per kitas 200–300 valandų – bendras gyvenimas 500–700 valandų. 1,0 mm siena 0,30 mm gylį pasiekia po 600–800 valandų, o likusieji 0,7 mm apima pagreitintą režimą. Laikas prasiskverbti nuo 0,30 mm iki 0,90 mm (0,60 mm pagreitintas sklidimas) yra ilgesnis nei prasiskverbimo laikas nuo 0,25 mm iki 0,55 mm (0,30 mm), nes keičiasi duobės geometrija: gilesnėse duobėse yra siauresnės angos, o tai riboja masės pernešimą ir sulėtina sklidimą esant labai dideliam greičiui.
**Scenarijus-Pagrįstas atrankos vadovas: sienelės storis persulfatiniams-sieros rūgšties šildytuvams**
| Eksploatacijos būklė|(NH4)₂S₂O₈ Koncentracija|Temperatūra|Rekomenduojamas sienelės storis (mm)|Numatomas tarnavimo laikas (valandomis)|Inžinerinis pagrindimas |
|--------------------|--------------------------|-------------|-------------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| Standartinis plokštelių valymas, 4000 valandų kampanijos tikslas|5 %|70 laipsnių|1.2|2500 – 4000|Atitinka 4000 valandų tikslą su marža |
| Extended campaign (>5000 valandų)|5 %|70 laipsnių|1,5|3500 – 5500|Konservatyvus dizainas, užtikrinantis maksimalų patikimumą |
| Žemesnė temperatūra (60 laipsnių ) sumažina skilimą|5 %|60 laipsnių|1,0|2500 – 4000|Žemesnė temperatūra sumažina sklidimo greitį |
| Mažesnė persulfato koncentracija (3%)|3 %|70 laipsnių|0,9 – 1,0|2500 – 4000|Mažesnė oksidatoriaus koncentracija sumažina duobių susidarymą |
| Trumpalaikė-arba bandomoji operacija (<1000 hours) | 5% | 70°C | 0.6 – 0.7 | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
**Papildomos priemonės tarnavimo laikui pailginti**
Trys papildomos priemonės leidžia plonesnes sienas arba ilgesnį tarnavimo laiką. Pirmiausia palaikykite 5% ar mažesnę amonio persulfato koncentraciją; didesnės koncentracijos padidina oksidacijos potencialą ir pagreitina duobių susidarymą. Antra, įpilkite 10–20 ppm nitrato arba fosfato kaip duobių susidarymo inhibitorių; šie anijonai konkuruoja su sulfatu dėl adsorbcijos vietų titano paviršiuje, sumažindami duobių atsiradimo dažnį 30–50%. Trečia, vietoj 2 klasės naudokite 7 klasės titaną (Ti-0,15% Pd); paladis perkelia duobių atsiradimo potencialą į kilnesnes vertes, pailgindamas duobės atsiradimo laiką 2–3 kartus. 7 klasės 0,8 mm sienelės tarnavimo laikas yra panašus į 2 klasės 1,2 mm.
**Išvada**
2 laipsnio titano kaitinimo gyvatėms 5% amonio persulfate, 2% sieros rūgšties tirpale 70 laipsnių silicio plokštelių valymui, 1,0 mm sienelė užtikrina vidutinį 1500 valandų tarnavimo laiką, optimizuotos sąlygos siekia 2000 valandų, o 0,6 mm sienelė sugenda per 6250 valandų. × skirtumas. Norint užtikrinti patikimą 4 000 -valandų aptarnavimą, minimalus rekomenduojamas storis yra 1,2 mm, o 1,5 mm suteikia papildomą saugos ribą. Dramatiškas gyvenimo trukmės pailgėjimas atsiranda dėl spartėjančio duobių plitimo greičio: plonesnės sienos sulaikomos spartaus augimo fazėje, o storesnės sienos suteikia medžiagos savaime-apribojant gilesnę{22}}duobę. Inžinieriai taip pat turėtų apsvarstyti galimybę naudoti 7 klasės titaną plonesnėms sienoms, kurių tarnavimo laikas yra lygiavertis, ir įdiegti įdubimų inhibitorius, kad dar labiau pailgintų tarnavimo laiką. Ši sienelės storio specifikacija apsaugo nuo ankstyvos duobių perforacijos – dominuojančio gedimo režimo persulfato ir sieros rūgšties plokštelių valymo įrenginiuose.
