Cieta tantala caurule būtībā ir dobs cilindrs, kas izgatavots no viena no visdārgākajiem pret koroziju izturīgākajiem metāliem, ko izmanto ķīmiskajā inženierijā. Ļoti agresīvām skābēm šī veiktspēja ir nepārspējama,-taču arī izmaksas. Atšķirīga pieeja tagad iegūst impulsu: plānas, perfekti blīvas tīra tantala slāņa uzklāšana uz parastās nerūsējošā tērauda caurules iekšējās virsmas. Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (CVD) tantala pārklājuma tehnoloģija pārvērš šo ideju no laboratorijas ziņkārības par rūpniecisku realitāti, piedāvājot tantala -pakāpes izturību pret koroziju par nelielu daļu no cietas tantala caurules materiāla izmaksām.
Siltummaiņiem, kas apstrādā korozīvas skābes, pusvadītāju ķīmiskās vielas un īpaši tīras procesa plūsmas, tantala pārklājuma CVD nerūsējošā tērauda cauruļu koncepcija ir būtiskas izmaiņas, kā nākotnē var tikt izstrādātas pret koroziju izturīgas iekārtas.
Kā darbojas CVD tantala pārklājums
Ķīmiskā tvaiku pārklāšana ir augstas -temperatūras vakuuma pārklāšanas process, kas spēj radīt ārkārtīgi tīras, blīvas metāla plēves.
Nogulsnēšanās process
Parastā procesā apsildāmā vakuuma krāsnī tiek ievietota iepriekš izgatavota-nerūsējošā tērauda caurule.
Pēc tam iekšējā virsma tiek pakļauta tantalu{0}}saturošai prekursoru gāzei. Paaugstinātā temperatūrā gāze ķīmiski sadalās, atbrīvojot tantala atomus, kas nogulsnējas tieši uz tērauda pamatnes.
Laika gaitā uz iekšējās virsmas vienmērīgi veidojas nepārtraukts metāla slānis.
Kompleksās caurules ģeometrijas konformāls pārklājums
Viena no galvenajām CVD priekšrocībām ir tā pārklājuma spēja:
Garas caurules
Maza{0}}urbuma caurule
Sarežģītas iekšējās ejas
Siltummaiņa kanāli
ar ievērojamu viendabīgumu.
Pat sarežģītas iekšējās ģeometrijas var iegūt pilnībā konformālu tantala slāni.
Pārklājuma struktūra
Uzklātais pārklājums veido īstu metālisku slāni, nevis krāsai{0}}līdzīgu virsmas plēvi.
Tīrs alfa{0}}tantals
Deponētais materiāls parasti ir:
Tīrs alfa{0}}fāzes tantals
Pilnīgi blīvs
Metalurģiski savienots
Ļoti lipīgs
Pārklājumam bieži ir kolonnveida graudu mikrostruktūra, kas raksturīga tvaiku{0}}nogulsnētiem ugunsizturīgiem metāliem.
Tipisks biezuma diapazons
Lielākā daļa tantala pārklājuma CVD nerūsējošā tērauda cauruļu sistēmu izmanto pārklājuma biezumu starp:
10–50 μm10\\text{–}50\\ \\mu\\mathrm{m}10–50 μm
Šis ārkārtīgi plāns slānis ir pietiekams, jo tantala korozijas ātrums saderīgās skābēs ir ārkārtīgi zems.
Patērētais tantala daudzums ir tikai neliela daļa no materiāla, kas nepieciešams cietai tantala caurulei.
Kāpēc tehnoloģija ir ekonomiski pievilcīga
Tantala iekārtu ekonomiju vienmēr ir ierobežojušas lielapjoma tantala metāla izmaksas.
Tērauda stiprība ar tantala ķīmiju
Pārklātā caurule apvieno divas dažādas materiāla funkcijas:
Nerūsējošais tērauds nodrošina konstrukcijas izturību
Tantals nodrošina izturību pret koroziju
Tā ir tantala sirds tērauda korpusā.
Šī hibrīda pieeja ievērojami samazina:
Izejvielu izmaksas
Iekārtas svars
Izgatavošanas izdevumi
vienlaikus saglabājot daudzas tantala ķīmiskās veiktspējas priekšrocības.
Paplašināta tantala veiktspējas pieejamība
Vēsturiski tantala siltummaiņi izmaksu dēļ tika izmantoti tikai ļoti augstvērtīgiem{0}}lietotājiem.
CVD{0}}pārklājuma sistēmas var nodrošināt tantala{1}pakāpes korozijas izturību:
Vidēja mēroga ķīmiskā apstrāde
Speciālās skābju sistēmas
Pusvadītāju mitrā apstrāde
Farmaceitiskā ražošana
Kompakti siltummaiņi
Tas ievērojami paplašina uz tantala{0}}bāzētas korozijas aizsardzības potenciālo tirgu.
Izturība pret koroziju
Tantala pārklājuma CVD nerūsējošā tērauda cauruļu koncepcijas galvenais mērķis ir atkārtot cietā tantala koroziju.
Lieliska skābju izturība
Ja tantala slānis ir neskarts, tas nodrošina lielisku izturību pret:
Sālsskābe
Sērskābe
Slāpekļskābe
Jaukta skābes vide
Hlorīdu{0}}saturošas skābes plūsmas
Ķīmiski inertā tantala oksīda virsma aizsargā substrātu no uzbrukumiem.
Vienmērīgs virsmas pārklājums
Atšķirībā no dažiem porainiem smidzinātajiem pārklājumiem, CVD tantala slāņi ir:
Pilnīgi blīvs
Bez porām-
Nepārtraukta
Tas samazina korozīvās vides ceļus, lai sasniegtu apakšējo tēraudu.
Termiskā riteņbraukšanas uzvedība
Viena no problēmām ar pārklājumu sistēmām ir ilgstoša{0}}izturība temperatūras svārstību apstākļos.
Plāni pārklājumi samazina stresu
Tā kā tantala slānis ir ļoti plāns un labi savienots:
Diferenciālie izplešanās spriegumi joprojām ir salīdzinoši zemi
Siltuma riteņbraukšanas tolerance ir laba
Ir samazināts atslāņošanās risks
Pārklājums parasti izplešas un saraujas kopā ar tērauda pamatni bez lielas plaisāšanas.
Tas padara tehnoloģiju piemērotu daudzām cikliskām termiskās apstrādes vidēm.
Kritiskais ierobežojums: virsmas bojājumi
Lai gan pārklājums ir ļoti izturīgs pret koroziju, tas joprojām ir plāns.
Skrāpējumi var atsegt tēraudu
Jebkuri dziļi mehāniski bojājumi, kas iekļūst caur tantala slāni, var pakļaut nerūsējošā tērauda substrātu zem tā.
Augsti vadītspējīgos skābos šķīdumos tas rada bīstamu galvanisku stāvokli.
Ātrs lokalizēts uzbrukums
Ja pakļautais tērauds tiek elektriski savienots ar apkārtējo tantalu agresīvā elektrolītā:
Galvaniskā korozija var strauji paātrināties
Var rasties lokālas bedrītes
Zem pārklājuma var veidoties iegriezums
Šī iemesla dēļ darbības laikā ir svarīga rūpīga apstrāde un plūsmas pārvaldība.
Temperatūras ierobežojumi
Tehnoloģijai ir arī augstākās{0}}temperatūras ierobežojumi.
Interdifūzija starp tantalu un dzelzi
Paaugstinātā temperatūrā tantala un dzelzs atomi saskarnē sāk difundēt viens otrā.
Virs aptuveni:
400∘C400^\\circ\\mathrm{C}400∘C
starp tantala pārklājumu un tērauda pamatni var veidoties intermetāliskas fāzes.
Šīs fāzes var kļūt trauslas un pasliktināt pārklājuma veiktspēju.
Rezultātā lielākā daļa lietojumu paliek krietni zem šī temperatūras diapazona.
Pašreizējie rūpnieciskie pielietojumi
Šī tehnoloģija jau ir ieviesta vairākās progresīvās ražošanas nozarēs.
Pusvadītāju apstrādes iekārtas
Pusvadītāju ražošanas sistēmās bieži tiek izmantotas ar tantalu{0}}pārklātas iekšējās virsmas, jo:
Īpaši{0}}augsta tīrība
Izturība pret koroziju
Daļiņu kontroles veiktspēja
Bieži piemēri ir mitrās kodināšanas sistēmas un ķīmisko vielu piegādes aparatūra.
Paplašināšanās ķīmiskajos siltummaiņos
Interese tagad paplašinās uz:
Skābes dzesētāji
Kompakti siltummaiņi
Kodīgas procesa caurules
Speciālie reaktoru apvalki
kur ir vēlama tantala -līmeņa izturība pret koroziju bez izmaksām par pilnībā cietu tantala konstrukciju.
Atlikušie inženiertehniskie izaicinājumi
Neskatoties uz solījumu, joprojām pastāv vairāki inženiertehniskie šķēršļi.
Metināto savienojumu sarežģītība
Konsekventu CVD tantala pārklājumu uzklāšana metinātajiem savienojumiem un sarežģītiem lauka -sagatavotajiem mezgliem joprojām ir tehniski sarežģīts uzdevums.
Pārklājuma nepārtrauktība metināšanas šuvju tuvumā prasa rūpīgu procesa kontroli.
Pārbaude un remonts
Tā kā pārklājums ir plāns:
Nesagraujošā pārbaude kļūst svarīga
Bojājumu noteikšanas metodes joprojām attīstās
Lauka remonta procedūras joprojām ir ierobežotas
Ilgtermiņa{0}}darbības pieredze joprojām tiek uzkrāta daudzās rūpniecības nozarēs.
Secinājums
CVD tantala pārklājumi ir nozīmīgs sasniegums korozijizturīgo{0} siltummaiņu tehnoloģijā. Uzklājot plānu, blīvu, metalurģiski saistītu tīra tantala slāni uz parastajām nerūsējošā tērauda caurulēm, tantala pārklājuma CVD nerūsējošā tērauda caurules pieeja nodrošina lielu daļu no tantala neparastās ķīmiskās izturības, vienlaikus ievērojami samazinot materiāla patēriņu un sistēmas izmaksas.
Tērauda konstrukcijas izturības un tantala virsmas ķīmijas kombinācija rada ļoti pievilcīgu līdzsvaru starp veiktspēju un pieejamību. Lai gan joprojām pastāv ierobežojumi attiecībā uz jutīgumu pret mehāniskiem bojājumiem, metināto savienojumu sarežģītību un paaugstinātu-temperatūras savstarpējo difūziju, šī tehnoloģija jau ir izrādījusies vērtīga pusvadītāju ražošanā un nepārtraukti izvēršas plašākos ķīmiskās apstrādes lietojumos.
Uzlabotas materiālu inženierijas nākotne arvien vairāk ir atkarīga nevis no veselu komponentu konstruēšanas no eksotiskiem metāliem, bet gan no pareizā mikroskopiskā atomu slāņa novietošanas tieši tur, kur korozīvā ķīmija to visvairāk pieprasa.
