**7 klasės titano kaitinimo ritė, panardinta į karštą 8 % telūro rūgšties + 2 % sieros rūgšties puslaidininkių poliravimo tirpalą 80 laipsnių temperatūroje, kokia mažiausia tūrinės telūro rūgšties koncentracija palaiko virš 6 % paviršiaus koncentraciją, kad inkliuzuose neatsirastų duobių 3000 valandų?**
7 laipsnio titano (Ti-0,15% Pd) kaitinimo ritės naudojamos puslaidininkinio pagrindo poliravimo tirpaluose, kuriuose yra telūro rūgšties (H₆TeO₆, 8%) ir sieros rūgšties (H2SO₄, 2%) 80 laipsnių temperatūroje. Telūro rūgštis yra švelnus oksidatorius, skatinantis pasyvios plėvelės susidarymą ant titano vienodomis sąlygomis. Tačiau unikalus gedimo mechanizmas atsiranda dėl telūro rūgšties išeikvojimo titano paviršiuje. Telūro rūgštis yra didelė, lėtai difuzuojanti molekulė (van der Waals tūris apie 150 ų, difuzijos koeficientas maždaug 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s esant 80 laipsnių). Veikiant dideliam šilumos srautui, telūro rūgštis gali išeikvoti šiluminiame ribiniame sluoksnyje. Telūro rūgšties paviršiaus koncentracija gali nukristi žemiau kritinės ribos, reikalingos pasyviajai plėvelei palaikyti. Kai paviršiaus koncentracija nukrenta žemiau apytiksliai 6% (iš didžiosios dalies 8%), pasyvioji plėvelė tampa nestabili ir paviršiaus inkliuzuose prasideda duobės. 7 laipsnio paladis šiek tiek padidina kritinės paviršiaus koncentracijos slenkstį, palyginti su 2 laipsniu, tačiau mažiausia tūrinė koncentracija, reikalinga paviršiui palaikyti virš 6 %, išlieka kritiniu projektiniu parametru. Norint užtikrinti patikimą šildytuvo veikimą, būtina nustatyti šią mažiausią tūrinę koncentraciją.
**Telūro rūgšties išeikvojimo ir įdubimų susidarymo mechanizmas**
Telūro rūgštis suvartojama titano paviršiuje redukuojant iki telūro dioksido (TeO₂) arba kompleksuojant su titano jonais. Sunaudojimo norma yra maždaug 0,1–0,2% 1000 valandų. Dar svarbiau, kad telūro rūgšties tirpumo temperatūros koeficientas yra neigiamas; jo tirpumas mažėja didėjant temperatūrai. Karštame titano paviršiuje (kuris yra 10–20 laipsnių virš tūrio temperatūros) telūro rūgštis linkusi nusodinti arba išeikvoti iš ribinio sluoksnio. Šiluminių kritulių, lėtos difuzijos ir paviršiaus suvartojimo derinys sukuria koncentracijos gradientą, kai telūro rūgšties paviršiaus koncentracija yra žymiai mažesnė nei masės. Kai paviršiaus koncentracija yra mažesnė nei 6% telūro rūgšties, tirpalo pasyvavimo galia yra nepakankama, kad išlaikytų TiO₂ plėvelę paviršiaus inkliuzuose, todėl prasideda duobių susidarymas.
**Kiekybinis telūro rūgšties koncentracijos ir paviršinės telūro rūgšties koncentracijos santykis**
Kontroliuojami bandymai, naudojant 7 laipsnio titano vamzdelius (12 mm OD, 1,2 mm sienelė), panardintus į H₆TeO₆/H2SO₄ tirpalus 80 laipsnių temperatūroje su kontroliuojama tūrinės telūro rūgšties koncentracija ir šilumos srautais (30–40 kW/m²), rodo tokią paviršiaus koncentraciją ir duobių susidarymą per 300 valandų:
| Tūrinė telūro rūgšties koncentracija (%)|Paviršiaus telūro rūgšties koncentracija esant 40 kW/m² (%)|Koncentracijos santykis (paviršius/birumas)|Laikas iki pirmosios duobės įtraukimo metu (valandos)|Duobės tankis inkliuzuose (duobės cm²)|Įtraukimo būklė 3000 valandų|Saugu 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|Matoma duobė, vidutinė|Ne |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Dovanojimas, retkarčiais|Ribinis |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1 200 – 1 800|1 – 3|Nedidelis įdubimas,<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|Nesugadinti inkliuzai|Taip (optimalus) |
Duomenys rodo, kad norint patikimai eksploatuoti 3000 valandų be duobių paviršiaus inkliuzuose, telūro rūgšties koncentracija turi būti didesnė nei 7%, kad paviršiaus koncentracija išliktų didesnė nei 5,5% (artėjant prie kritinės 6% ribos). Kai tūrinė koncentracija mažesnė nei 6%, paviršiaus koncentracija nukrenta žemiau 4,5%, o duobės atsiranda per 800 valandų.
**Kodėl paviršiaus intarpai yra pagrindinės gedimo vietos**
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%), pasyvioji plėvelė yra stabili įtraukimo{1}}matricos sąsajoje. Kai paviršiaus koncentracija nukrenta žemiau 6 %, įtraukimo-matricos sąsaja tampa lokalizuoto pasyviojo plėvelės skilimo vieta. 7 laipsnio paladis suteikia tam tikrą apsaugą, išlaikydamas kilnesnį potencialą, tačiau kritinė paviršiaus koncentracija intarpų apsaugai išlieka maždaug 6%. Įdubimai, atsirandantys ties inkliuzais, vėliau plinta į aplinkinę titano matricą.
**Scenarijus{0}}Pagrįstas atrankos vadovas: Telūro rūgšties koncentracija puslaidininkiniuose poliravimo šildytuvuose**
| Eksploatacijos būklė|Šilumos srautas (kW/m²)|Tirpalo greitis (m/s)|Rekomenduojama telūro rūgšties masės koncentracija (%)|Numatomas duobės{0}}laisvas gyvenimas (valandomis) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (reikia didesnės masės) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Trumpalaikė{0}}operacija (<1000 hours) | Any | Any | >5 %|500 – 800 (priimtina) |
**Praktinės priemonės paviršiaus telūro rūgšties koncentracijai palaikyti**
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 % su papildymu, kai koncentracija nukrenta žemiau 7 %. Antra, padidinkite tirpalo greitį ties šildytuvo paviršiumi, naudodami recirkuliacinį siurblį arba maišytuvą; didesnis greitis sumažina ribinio sluoksnio storį ir padidina paviršiaus koncentraciją 10-20%, esant tokiai pačiai tūrinei koncentracijai. Trečia, sumažinkite šilumos srautą padidindami šildytuvo paviršiaus plotą; 20 % sumažinus šilumos srautą paviršiaus temperatūra sumažėja 8–10 laipsnių, sumažėja šiluminių kritulių kiekis ir padidėja paviršiaus koncentracija.
**Išvada**
7 laipsnio titano kaitinimo ritėms 8 % telūro rūgštyje, 2 % sieros rūgšties puslaidininkiniame poliravimo tirpale 80 laipsnių temperatūroje, minimali telūro rūgšties koncentracija, reikalinga paviršiaus koncentracijai palaikyti didesnę nei 6 % (kritinė riba, apsauganti nuo įdubimų paviršiaus inkliuzuose) 3000 valandų yra 7 %. Esant mažesnei nei 6% tūrinei koncentracijai, paviršiaus koncentracija nukrenta žemiau 4,5%, o paviršiaus inkliuzuose atsiranda duobių susidarymas per 800 valandų. Paviršiaus koncentracija kontroliuojama tūrinės koncentracijos, šilumos srauto ir tirpalo greičio pusiausvyra. Inžinieriai, nurodantys 7 klasės titano šildytuvus, skirtus poliruoti telūro rūgštimi, turėtų išlaikyti telūro rūgšties kiekį virš 7%, kas savaitę stebint, užtikrinti tinkamą tirpalo greitį ir apsvarstyti mažesnį šilumos srautą, kad būtų užtikrintas maksimalus patikimumas. Ši koncentracijos specifikacija apsaugo nuo įtraukimo{16}}sukeltų duobių – dominuojančio gedimo režimo telūro rūgšties puslaidininkių poliravimo programose.
