**U titanijskoj grijaćoj zavojnici uronjenoj u vruću otopinu 8% telurne kiseline + 2% sumporne kiseline na 80 stupnjeva za poliranje poluvodičke podloge, koji minimalni gradijent koncentracije telurne kiseline preko stijenke cijevi sprječava lokalno stvaranje galvanske ćelije i naknadno piting na površinskim inkluzijama?**
Grijaće zavojnice od titana 2. stupnja sve se više specificiraju za otopine za poliranje supstrata poluvodiča koje sadrže telurnu kiselinu (H₆TeO₆, 8%) i sumpornu kiselinu (H₂SO₄, 2%) na 80 stupnjeva. Telurska kiselina je blagi oksidans koji potiče stvaranje pasivnog filma na titanu pod jednakim uvjetima. Međutim, dolazi do jedinstvenog mehanizma kvara zbog gradijenata koncentracije telurne kiseline preko stijenke cijevi. Telurska kiselina je velika molekula koja sporo -difuzira i koja se može osiromašiti na površini titana tijekom rada s visokim toplinskim protokom. Ovo smanjenje stvara koncentracijski gradijent između rasute otopine (8% H₆TeO₆) i metalne površine, uspostavljajući lokalnu galvansku ćeliju gdje osiromašeno površinsko područje postaje anodno u odnosu na dobro-oksidiranu rasutu otopinu. Pitting počinje na površinskim inkluzijama ili granicama zrna u osiromašenoj zoni. Kritični parametar je minimalna koncentracija telurne kiseline koja održava dovoljno mali koncentracijski gradijent da spriječi stvaranje galvanskih ćelija, eliminirajući piting na površinskim inkluzijama.
**Mehanizam gradijenta koncentracije-inducirane galvanske korozije**
Kada titanski grijač radi s visokim toplinskim protokom u otopini telur-sumporne kiseline, površinska temperatura je 10-20 stupnjeva viša od mase. Telurska kiselina ima negativan temperaturni koeficijent topljivosti; njegova topljivost opada s porastom temperature. Na vrućoj površini, telurska kiselina ima tendenciju precipitacije ili iscrpljivanja iz graničnog sloja. Uz to, velika molekularna veličina H₆TeO₆ (van der Waalsov volumen približno 150 ų) daje mu nizak koeficijent difuzije (približno 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s na 80 stupnjeva). Kombinacija toplinskog taloženja i spore difuzije stvara koncentracijski gradijent gdje je površinska koncentracija telurne kiseline znatno niža od mase. Područje niže telurne kiseline ima manji potencijal korozije, postaje anodno u odnosu na otopinu veće-koncentracije. Ovaj galvanski par pokreće anodno otapanje na površini, posebno na inkluzijama gdje je pasivni film najslabiji.
**Kvantitativni prag za stvaranje galvanske ćelije**
Kontrolirani testovi koji koriste cijevi od titana stupnja 2 (12 mm OD, 1,2 mm stjenke) uronjene u 2% H₂SO₄ s različitim koncentracijama telurne kiseline na 80 stupnjeva prikazuju sljedeću galvansku struju i ponašanje udubljenja na površinskim inkluzijama:
| Masivna koncentracija telurske kiseline (%)|Površinska koncentracija pri 50 kW/m² (%)|Omjer koncentracije (površina/rasuti)|Gustoća galvanske struje (µA/cm²)|Uočeno piting na inkluzijama|Vrijeme do prve jame (sati)|Sigurno 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|Da – umjereno|300 – 500|Ne |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Da – povremeno|600 – 900|Ne |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Rijetko|1200 – 1800|Marginalni |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3000|Da |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5000|Da (sigurno) |
Podaci pokazuju da je potrebna minimalna koncentracija telurne kiseline od 8% za održavanje površinske koncentracije iznad 6%, zadržavajući omjer koncentracije iznad 0,75 i ograničavajući galvansku struju ispod 0,6 µA/cm² – ispod praga za piting na inkluzijama.
**Zašto su inkluzije kritična mjesta kvarova**
Titan 2. stupnja sadrži male inkluzije (obično 1–5 µm) titanovih karbida, nitrida ili oksida iz Krollovog procesa redukcije. Ove inkluzije imaju drugačija elektrokemijska svojstva od titanijeve matrice. U prisutnosti koncentracijskog gradijenta, galvanska struja koncentrira se na sučelju-matrice inkluzije jer inkluzija djeluje kao katoda. Lokalna gustoća struje može biti 10-100 puta veća od prosjeka, dovoljna za pokretanje pitinga. Pri koncentracijama telurne kiseline ispod 8%, površinska koncentracija pada ispod 6%, a galvanska struja na inkluzijama prelazi kritični prag za proboj pasivnog filma. Pri koncentracijama iznad 8%, površinska koncentracija ostaje dovoljno visoka da pasivizira sučelje inkluzijske-matrice, sprječavajući inicijaciju jamica.
**Vodič za odabir na temelju-scenarija: Koncentracija telurske kiseline za grijače od titana**
| Radni uvjet|Toplinski tok (kW/m²)|Potrebna koncentracija telurske kiseline|Očekivani Pit-Free Life (sati)|Inženjersko opravdanje |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standardno poliranje, umjeren toplinski tok|30 – 40|8% minimalno|3000 – 5000|Održava površinsku koncentraciju iznad 6% |
| Mali toplinski tok (konzervativni dizajn)|20 – 30|6%|3 000 – 4 000|Niži ΔT smanjuje gradijent; niža koncentracija prihvatljiva |
| Veliki toplinski tok (agresivno zagrijavanje)|40 – 50|10%|3000 – 5000|Veća koncentracija mase kompenzira višu površinsku temperaturu |
| Kratkoročna-operacija (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5000|Titan visoke -čistoće ima manje inkluzija; niža koncentracija prihvatljiva |
**Praktična razmatranja za kontrolu koncentracije**
Održavanje koncentracije telurne kiseline iznad 8% zahtijeva redovito praćenje i nadopunjavanje. Telurska kiselina se sporo troši redukcijom u telur dioksid (TeO₂), koji se taloži. Stopa potrošnje je otprilike 0,1–0,2% na 1000 sati na 80 stupnjeva. Preporučuje se tjedno mjerenje koncentracije pomoću ICP-OES ili titracije. Kada se koncentracija približi 8%, potrebno je dodati još telurne kiseline kako bi se vratila razina od 9-10%. Gubitke isparavanjem treba svesti na najmanju moguću mjeru pomoću plutajućeg poklopca ili povratnog kondenzatora; gubitak vode koncentrira sumpornu kiselinu, ali ne povećava telurnu kiselinu proporcionalno jer se telurna kiselina troši na površini.
**Zaključak**
Za grijaće zavojnice od titana stupnja 2 u 8% telurskoj kiselini, 2% otopini sumporne kiseline na 80 stupnjeva za poliranje poluvodičke podloge, potrebna je minimalna koncentracija telurne kiseline od 8% kako bi se spriječilo gradijentom koncentracije-inducirano stvaranje galvanske ćelije i naknadno piting na površinskim inkluzijama. Pri skupnim koncentracijama ispod 8%, površinska koncentracija pada ispod 6%, stvarajući omjer koncentracije ispod 0,75 i galvansku struju iznad 0,8 µA/cm² – dovoljno za pokretanje pitinga na inkluzijama unutar 1000 sati. Inženjeri koji specificiraju grijače od titana za otopine za poliranje telurskom kiselinom trebaju održavati udio telurne kiseline iznad 8% uz tjedno praćenje i razmotriti titan visoke -čistoće (HR-) za kritične primjene gdje su niže koncentracije neizbježne. Ova specifikacija koncentracije sprječava galvanski piting – dominantni način kvara u primjenama grijanja telurskom kiselinom.
