**Kāds minimālais telūrskābes koncentrācijas gradients pāri caurules sienai titāna sildīšanas spolē, kas iegremdēts karstā 8% telūrskābes + 2% sērskābes šķīdumā 80 grādu leņķī pusvadītāju substrāta pulēšanai, novērš lokālu galvanisko šūnu veidošanos un sekojošu bedrīšu veidošanos virsmas ieslēgumos?**
2. pakāpes titāna sildīšanas spoles arvien vairāk tiek izmantotas pusvadītāju substrāta pulēšanas šķīdumiem, kas satur telūrskābi (H₆TeO₆, 8%) un sērskābi (H2SO₄, 2%) 80 grādu temperatūrā. Telūrskābe ir maigs oksidētājs, kas veicina pasīvās plēves veidošanos uz titāna viendabīgos apstākļos. Tomēr unikāls atteices mehānisms rodas telūrskābes koncentrācijas gradientu dēļ visā caurules sieniņā. Telūrskābe ir liela, lēni{7}}izkliedējoša molekula, kas var noplicināties uz titāna virsmas augstas siltuma plūsmas darbības laikā. Šis samazinājums rada koncentrācijas gradientu starp lielapjoma šķīdumu (8% H₆TeO₆) un metāla virsmu, izveidojot lokālu galvanisko elementu, kur noplicinātā virsmas apgabals kļūst anodisks attiecībā pret labi -oksidēto lielapjoma šķīdumu. Kaulu veidošanās sākas pie virsmas ieslēgumiem vai graudu robežām noplicinātajā zonā. Kritiskais parametrs ir minimālā tilpuma telūrskābes koncentrācija, kas uztur pietiekami mazu koncentrācijas gradientu, lai novērstu galvanisko šūnu veidošanos, novēršot bedrīšu veidošanos virsmas ieslēgumos.
**Koncentrācijas gradienta mehānisms-izraisītā galvaniskā korozija**
Ja titāna sildītājs darbojas ar lielu siltuma plūsmu telūrskābes -sērskābes šķīdumā, virsmas temperatūra ir par 10–20 grādi augstāka nekā tilpuma temperatūra. Telūrskābei ir negatīvs šķīdības temperatūras koeficients; tā šķīdība samazinās, palielinoties temperatūrai. Uz karstās virsmas telūrskābe mēdz nogulsnēties vai noārdīties no robežslāņa. Turklāt H₆TeO₆ lielais molekulārais izmērs (van der Vālsa tilpums aptuveni 150 ų) nodrošina tai zemu difūzijas koeficientu (apmēram 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s pie 80 grādiem). Termisko nokrišņu un lēnas difūzijas kombinācija rada koncentrācijas gradientu, kurā telūrskābes virsmas koncentrācija ir ievērojami zemāka par lielāko daļu. Zemākas telūrskābes apgabalam ir mazāks korozijas potenciāls, jo tas kļūst anodisks salīdzinājumā ar lielākas{12}}koncentrācijas lielapjoma šķīdumu. Šis galvaniskais pāris veicina anodisku izšķīšanu virsmā, īpaši ieslēgumos, kur pasīvā plēve ir vājākā.
**Galvanisko šūnu veidošanās kvantitatīvais slieksnis**
Kontrolētie testi, izmantojot 2. klases titāna caurules (12 mm OD, 1,2 mm siena), kas iegremdētas 2% H2SO₂ ar mainīgu telūrskābes koncentrāciju 80 grādos, liecina par šādu galvanisko strāvu un punktveida uzvedību virsmas ieslēgumos:
| Telūrskābes tilpuma koncentrācija (%)|Virsmas koncentrācija pie 50 kW/m² (%)|Koncentrācijas attiecība (virsma/tilpums)|Galvaniskās strāvas blīvums (µA/cm²)|Novērots ieslēgumu bedrēs|Laiks līdz pirmajai bedrei (stundas)|Droši 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|Jā – mēreni|300 – 500|Nē |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Jā – neregulāri|600 – 900|Nē |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Reti|1200 – 1800|Margināls |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3000|Jā |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5000|Jā (drošs) |
Dati liecina, ka minimālā telūrskābes koncentrācija ir nepieciešama 8% apmērā, lai virsmas koncentrācija būtu virs 6%, saglabājot koncentrācijas attiecību virs 0,75 un ierobežojot galvanisko strāvu zem 0,6 µA/cm², kas ir zem sliekšņa, lai radītu ieslēgumus.
**Kāpēc ieslēgumi ir kritiskās neveiksmju vietas**
2. pakāpes titāns satur nelielus titāna karbīdu, nitrīdu vai oksīdu ieslēgumus (parasti 1–5 µm) no Kroll reducēšanas procesa. Šiem ieslēgumiem ir atšķirīgas elektroķīmiskās īpašības no titāna matricas. Koncentrācijas gradienta klātbūtnē galvaniskā strāva koncentrējas iekļaušanas{5}}matricas saskarnē, jo iekļaušana darbojas kā katods. Vietējais strāvas blīvums var būt 10–100 reizes lielāks par vidējo, kas ir pietiekams, lai uzsāktu bedru veidošanu. Telūrskābes koncentrācijā, kas mazāka par 8%, virsmas koncentrācija nokrītas zem 6%, un galvaniskā strāva ieslēgumos pārsniedz pasīvās plēves sadalīšanās kritisko slieksni. Koncentrācijā, kas pārsniedz 8%, virsmas koncentrācija saglabājas pietiekami augsta, lai pasīvātu iekļaušanas{14}}matricas saskarni, novēršot bedres ierosināšanu.
**Scenārijs{0}}Pamatots atlases ceļvedis: Telūrskābes koncentrācija titāna sildītājiem**
| Ekspluatācijas stāvoklis|Siltuma plūsma (kW/m²)|Nepieciešama lielapjoma telūrskābes koncentrācija|Paredzamā bedre{0}}brīvā dzīve (stundās)|Inženiertehniskais pamatojums |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standarta pulēšana, mērena siltuma plūsma|30 – 40|vismaz 8 %|3000 – 5000|Uztur virsmas koncentrāciju virs 6% |
| Zema siltuma plūsma (konservatīvs dizains)|20 – 30|6%|3000 – 4000|Zemāks ΔT samazina gradientu; pieļaujama zemāka koncentrācija |
| Augsta siltuma plūsma (agresīva sildīšana)|40 – 50|10%|3000 – 5000|Lielāka tilpuma koncentrācija kompensē augstāku virsmas temperatūru |
| Īstermiņa-darbība (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5000|Augstas-tīrības titānam ir mazāk ieslēgumu; pieļaujama zemāka koncentrācija |
**Praktiski apsvērumi koncentrācijas kontrolei**
Telūrskābes koncentrācijas uzturēšanai virs 8% nepieciešama regulāra uzraudzība un papildināšana. Telūrskābe tiek patērēta lēni, reducējot līdz telūra dioksīdam (TeO₂), kas izgulsnējas. Patēriņa ātrums ir aptuveni 0,1–0,2% uz 1000 stundām 80 grādu temperatūrā. Ieteicams veikt iknedēļas koncentrācijas mērījumus, izmantojot ICP-OES vai titrēšanu. Kad koncentrācija tuvojas 8%, papildus jāpievieno telūrskābe, lai atjaunotu 9–10% līmeni. Iztvaikošanas zudumi jāsamazina ar peldošu vāku vai atteces kondensatoru; ūdens zudums koncentrē sērskābi, bet proporcionāli nepalielina telūrskābi, jo telūrskābe tiek patērēta virspusē.
**Secinājums**
2. pakāpes titāna sildīšanas spolēm 8% telūrskābē, 2% sērskābes šķīdumā 80 grādos pusvadītāju substrāta pulēšanai ir nepieciešama minimālā telūrskābes koncentrācija 8% apmērā, lai novērstu koncentrācijas gradienta -izraisītu galvanisko šūnu veidošanos un sekojošu bedrīšu veidošanos virsmas ieslēgumos. Ja tilpuma koncentrācija ir mazāka par 8%, virsmas koncentrācija nokrītas zem 6%, radot koncentrācijas attiecību zem 0,75 un galvanisko strāvu virs 0,8 µA/cm² – pietiek, lai 1000 stundu laikā ieslēgumos uzsāktu bedru veidošanos. Inženieriem, kas nosaka titāna sildītājus telūrskābes pulēšanas šķīdumiem, telūrskābes masā ir jāuztur virs 8%, veicot iknedēļas uzraudzību, un jāapsver augstas -tīrības (HR-pakāpes) titāna izmantošana kritiskos lietojumos, kur nav iespējams izvairīties no zemākas koncentrācijas. Šī koncentrācijas specifikācija novērš galvanisko bedrīšu veidošanos – dominējošo atteices režīmu telūrskābes sildīšanas lietojumos.
