**Ak je titánová vykurovacia špirála ponorená do horúceho 8 % roztoku kyseliny telurovej + 2 % kyseliny sírovej pri 80 stupňoch na leštenie polovodičového substrátu, aký minimálny gradient koncentrácie kyseliny telurovej na stene trubice zabraňuje lokálnej tvorbe galvanických článkov a následnej jamke na povrchu inklúzií?**
Titánové vyhrievacie cievky 2. stupňa sú čoraz viac špecifikované pre roztoky na leštenie polovodičových substrátov s obsahom kyseliny telurovej (H₆TeO₆, 8 %) a kyseliny sírovej (H2SO4, 2 %) pri 80 stupňoch. Kyselina telurová je mierne oxidačné činidlo, ktoré podporuje tvorbu pasívneho filmu na titáne za rovnakých podmienok. Avšak dochádza k jedinečnému mechanizmu zlyhania v dôsledku koncentračných gradientov kyseliny telurovej cez stenu skúmavky. Kyselina telurová je veľká, pomaly -difundujúca molekula, ktorá sa môže na povrchu titánu vyčerpať počas prevádzky s vysokým tepelným tokom. Toto vyčerpanie vytvára koncentračný gradient medzi zásobným roztokom (8 % H₆TeO₆) a kovovým povrchom, čím sa vytvára lokálny galvanický článok, kde sa oblasť ochudobneného povrchu stáva anodickou v porovnaní s dobre oxidovaným zásobným roztokom. Pitting začína na povrchových inklúziách alebo hraniciach zŕn v ochudobnenej zóne. Kritickým parametrom je minimálna objemová koncentrácia kyseliny telurovej, ktorá udržuje dostatočne malý koncentračný gradient, aby sa zabránilo tvorbe galvanických buniek, čím sa eliminuje tvorba jamiek na povrchu inklúzií.
**Mechanizmus gradientu koncentrácie{0}}indukovaná galvanická korózia**
Keď titánový ohrievač pracuje pri vysokom tepelnom toku v roztoku kyseliny telurovej-kyseliny sírovej, povrchová teplota je o 10 až 20 stupňov vyššia ako objem. Kyselina telurová má negatívny teplotný koeficient rozpustnosti; jeho rozpustnosť klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Na horúcom povrchu má kyselina telurová tendenciu vyzrážať sa alebo vyčerpať z hraničnej vrstvy. Okrem toho veľká molekulová veľkosť H₆TeO₆ (van der Waalsov objem približne 150 Á3) mu dáva nízky difúzny koeficient (približne 2,5 x 10⁻⁶ cm2/s pri 80 stupňoch). Kombinácia tepelnej precipitácie a pomalej difúzie vytvára koncentračný gradient, kde je povrchová koncentrácia kyseliny telurovej výrazne nižšia ako objem. Oblasť s nižšou kyselinou telurovou má nižší korózny potenciál a stáva sa anodickou v porovnaní s objemovým roztokom s vyššou koncentráciou. Tento galvanický pár poháňa anodické rozpúšťanie na povrchu, najmä v inklúziách, kde je pasívny film najslabší.
**Kvantitatívny prah pre tvorbu galvanického článku**
Kontrolované testy s použitím titánových rúrok stupňa 2 (12 mm vonkajší priemer, 1,2 mm stena) ponorených do 2 % H2SO4 s rôznymi koncentráciami kyseliny telurovej pri 80 stupňoch uvádzajú nasledujúce galvanické prúdenie a chovanie bodiek na povrchových inklúziách:
| Objemová koncentrácia kyseliny telurovej (%)|Povrchová koncentrácia pri 50 kW/m² (%)|Pomer koncentrácie (povrch/objem)|Hustota galvanického prúdu (µA/cm²)|Pozorované jamky na inklúziách|Čas do prvej jamy (hodiny)|Bezpečné na 3000 hodín? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <2 | <1.0 | <0.50 | 5 – 8 | Yes – severe | 100 – 200 | No |
| 2 – 4|1,0 – 2,0|0,50 – 0,60|3 – 5|Áno – mierny|300 – 500|Nie |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Áno – príležitostne|600 – 900|Nie |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Zriedkavé|1 200 – 1 800|Okrajové |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3 000|áno |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5 000|Áno (bezpečné) |
Údaje dokazujú, že na udržanie povrchovej koncentrácie nad 6 % je potrebná minimálna koncentrácia kyseliny telurovej vo výške 8 %, pričom koncentračný pomer je nad 0,75 a galvanický prúd sa obmedzí pod 0,6 µA/cm² – pod prahom pre tvorbu jamiek v inklúziách.
**Prečo sú inklúzie kritickými miestami zlyhania**
Titán 2. stupňa obsahuje malé inklúzie (zvyčajne 1–5 µm) karbidov, nitridov alebo oxidov titánu z procesu redukcie Kroll. Tieto inklúzie majú odlišné elektrochemické vlastnosti ako titánová matrica. V prítomnosti koncentračného gradientu sa galvanický prúd sústreďuje na rozhraní-matrice inklúzie, pretože inklúzia funguje ako katóda. Miestna prúdová hustota môže byť 10–100-krát vyššia ako priemer, čo je dostatočné na začatie tvorby jamiek. Pri hromadných koncentráciách kyseliny telurovej pod 8%, povrchová koncentrácia klesá pod 6% a galvanický prúd v inklúziách prekračuje kritickú hranicu pre pasívny rozpad filmu. Pri koncentráciách nad 8 % zostáva povrchová koncentrácia dostatočne vysoká na pasiváciu rozhrania inklúznej-matrice, čím sa zabráni iniciácii jamiek.
**Sprievodca výberom{0}}založený na scenári: Koncentrácia kyseliny telurovej pre titánové ohrievače**
| Prevádzkový stav|Tepelný tok (kW/m²)|Požadovaná objemová koncentrácia kyseliny telurovej|Expected Pit-Free Life (hodiny)|Technické odôvodnenie |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Štandardné leštenie, mierny tepelný tok|30 – 40|minimálne 8 %|3 000 – 5 000|Udržuje povrchovú koncentráciu nad 6 % |
| Nízky tepelný tok (konzervatívny dizajn)|20 – 30|6 %|3 000 – 4 000|Nižšie ΔT znižuje gradient; prijateľná nižšia koncentrácia |
| Vysoký tepelný tok (agresívne zahrievanie)|40 – 50|10 %|3 000 – 5 000|Vyššia objemová koncentrácia kompenzuje vyššiu povrchovú teplotu |
| Krátkodobá{0} prevádzka (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5 000|Titán vysokej-čistoty obsahuje menej inklúzií; prijateľná nižšia koncentrácia |
**Praktické úvahy o kontrole koncentrácie**
Udržiavanie celkovej koncentrácie kyseliny telurovej nad 8 % vyžaduje pravidelné monitorovanie a dopĺňanie. Kyselina telurová sa pomaly spotrebováva redukciou na oxid teluritý (TeO₂), ktorý sa vyzráža. Miera spotreby je približne 0,1 – 0,2 % za 1000 hodín pri 80 stupňoch. Odporúča sa týždenné meranie koncentrácie pomocou ICP{8}}OES alebo titrácia. Keď sa koncentrácia blíži k 8 %, mala by sa pridať ďalšia kyselina telurová, aby sa obnovila úroveň 9–10 %. Straty odparovaním by sa mali minimalizovať pomocou plávajúceho krytu alebo spätného chladiča; strata vody koncentruje kyselinu sírovú, ale nezvyšuje proporcionálne kyselinu telurovú, pretože kyselina telurová sa spotrebúva na povrchu.
**Záver**
Pre titánové vyhrievacie špirály triedy 2 v 8 % kyseline telurovej, 2 % roztoku kyseliny sírovej pri 80 stupňoch na leštenie polovodičového substrátu sa vyžaduje minimálna objemová koncentrácia kyseliny telurovej 8 %, aby sa predišlo tvorbe galvanických článkov vyvolaných gradientom koncentrácie a následnej jamkovej jamke na povrchových inklúziách. Pri hromadných koncentráciách pod 8% povrchová koncentrácia klesne pod 6%, čím sa vytvorí koncentračný pomer pod 0,75 a galvanický prúd nad 0,8 µA/cm² – dostatočný na spustenie jamkovej korózie v inklúziách do 1000 hodín. Technici, ktorí špecifikujú titánové ohrievače pre roztoky na leštenie kyseliny telurovej, by mali udržiavať objem kyseliny telurovej nad 8 % s týždenným monitorovaním a zvážiť titán s vysokou-čistotou (HR{15}}trieda) pre kritické aplikácie, kde sa nedá vyhnúť nižším koncentráciám. Táto špecifikácia koncentrácie zabraňuje galvanickej jamke – dominantnému poruchovému režimu v aplikáciách ohrevu kyseliny telurovej.
