**بالنسبة لملف تسخين تيتانيوم درجة 7 مغمور في حمض التيلوريك الساخن بنسبة 8% + 2% محلول تلميع أشباه الموصلات من حمض الكبريتيك عند 80 درجة، ما هو الحد الأدنى لتركيز حمض التيلوريك السائب الذي يحافظ على تركيز سطحي أعلى من 6% لمنع التنقير في الشوائب لمدة 3000 ساعة؟**
تُستخدم ملفات تسخين التيتانيوم من الدرجة 7 (Ti-0.15% Pd) في محاليل تلميع ركيزة أشباه الموصلات التي تحتوي على حمض التيلوريك (H₆TeO₆، 8%) وحمض الكبريتيك (H₂SO₄، 2%) عند 80 درجة. حمض التيلوريك هو مؤكسد خفيف يعزز تكوين الفيلم السلبي على التيتانيوم في ظل ظروف موحدة. ومع ذلك، تحدث آلية فشل فريدة بسبب استنفاد حمض التيلوريك على سطح التيتانيوم. حمض التيلوريك هو جزيء كبير وبطيء الانتشار (حجم فان دير فالس حوالي 150 ų، معامل الانتشار حوالي 2.5 × 10⁻⁶ سم²/ث عند 80 درجة). أثناء عملية التدفق الحراري العالي، يمكن أن ينضب حمض التيلوريك في الطبقة الحدودية الحرارية. يمكن أن ينخفض التركيز السطحي لحمض التيلوريك إلى ما دون العتبة الحرجة المطلوبة للحفاظ على الفيلم السلبي. عندما ينخفض تركيز السطح إلى أقل من 6% تقريبًا (من 8%)، يصبح الفيلم السلبي غير مستقر ويبدأ التنقر عند شوائب السطح. يرفع البلاديوم الموجود في الدرجة 7 عتبة التركيز السطحي الحرج قليلاً مقارنة بالدرجة 2، لكن الحد الأدنى من التركيز المطلوب للحفاظ على السطح أعلى من 6% يظل معلمة التصميم الحرجة. يعد تحديد الحد الأدنى للتركيز السائب أمرًا ضروريًا لتشغيل السخان بشكل موثوق.
** آلية استنفاد حمض التيلوريك وتنقره **
يتم استهلاك حمض التيلوريك على سطح التيتانيوم من خلال الاختزال إلى ثاني أكسيد التيلوريوم (TeO₂) أو من خلال التعقيد مع أيونات التيتانيوم. معدل الاستهلاك حوالي 0.1-0.2% لكل 1000 ساعة. والأهم من ذلك أن حمض التيلوريك لديه معامل درجة حرارة سلبي للذوبان؛ تقل ذوبانه مع زيادة درجة الحرارة. على سطح التيتانيوم الساخن (الذي هو 10-20 درجة فوق درجة حرارة الكتلة)، يميل حمض التيلوريك إلى الترسيب أو الاستنفاد من الطبقة الحدودية. يؤدي الجمع بين الترسيب الحراري والانتشار البطيء والاستهلاك السطحي إلى إنشاء تدرج تركيز حيث يكون التركيز السطحي لحمض التيلوريك أقل بكثير من الجزء الأكبر. تحت تركيز سطحي يبلغ حوالي 6% من حمض التيلوريك، تكون قوة التخميل للمحلول غير كافية للحفاظ على غشاء TiO₂ عند الشوائب السطحية، ويبدأ التنقر.
** العلاقة الكمية بين تركيز حمض التيلوريك السائب والسطحي **
الاختبارات الخاضعة للرقابة باستخدام أنابيب التيتانيوم من الدرجة 7 (12 مم OD، جدار 1.2 مم) مغمورة في محاليل H₆TeO₆/H₂SO₄ عند 80 درجة مع تركيزات حمض التيلوريك السائبة الخاضعة للرقابة وتدفقات الحرارة (30-40 كيلو واط / م²) تشير إلى التركيز السطحي التالي وسلوك الحفر على مدار 3000 ساعة:
| تركيز حمض التيلوريك السائب (٪)|تركيز حمض التيلوريك السطحي عند 40 كيلووات/م² (%)|نسبة التركيز (السطح/الحجم)|وقت الحفرة الأولى عند الدمج (ساعات)|كثافة الحفرة عند الادراج (حفر لكل سم²)|حالة التضمين عند 3000 ساعة|آمن لمدة 3000 ساعة؟ |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <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|تأليب مرئية ومعتدلة|لا |
| 5 – 6|3.5 – 4.5|0.70 – 0.75|500 – 800|3 – 6|تأليب الحاضر، عرضية|هامشية |
| 6 – 7|4.5 – 5.5|0.75 – 0.79|1,200 – 1,800|1 – 3|تأليب طفيف,<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|الادراج البكر|نعم (الأمثل) |
توضح البيانات أنه للحصول على خدمة موثوقة لمدة 3000 ساعة دون الحفر على الشوائب السطحية، يجب الحفاظ على تركيز حمض التيلوريك السائب أعلى من 7% لضمان بقاء التركيز السطحي أعلى من 5.5% (يقترب من العتبة الحرجة البالغة 6%). عند التركيزات السائبة أقل من 6%، ينخفض التركيز السطحي إلى أقل من 4.5%، ويبدأ التنقر خلال 800 ساعة.
** لماذا تعتبر الشوائب السطحية هي مواقع الفشل الحرجة **
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%)، يكون الفيلم السلبي مستقرًا عند واجهة مصفوفة التضمين-. عندما ينخفض تركيز السطح إلى أقل من 6%، تصبح واجهة مصفوفة التضمين-موقعًا لانهيار الفيلم السلبي المحلي. يوفر البلاديوم الموجود في الدرجة 7 بعض الحماية من خلال الحفاظ على إمكانات أكثر نبلًا، لكن تركيز السطح الحرج لحماية التضمين يظل حوالي 6%. ثم ينتشر التنقر الذي يبدأ عند الادراج في مصفوفة التيتانيوم المحيطة.
**السيناريو-دليل الاختيار المستند إلى: تركيز حمض التيلوريك في سخانات تلميع أشباه الموصلات**
| حالة التشغيل|التدفق الحراري (كيلوواط/م²)|سرعة الحل (م/ث)|تركيز حمض التيلوريك السائب الموصى به (%)|الحفرة المتوقعة-الحياة الحرة (ساعات) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (يتطلب حجمًا أكبر) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| عملية قصيرة-على المدى (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (مقبول) |
**تدابير عملية للحفاظ على تركيز حمض التيلوريك السطحي**
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% مع التجديد عندما ينخفض التركيز إلى أقل من 7%. ثانياً، قم بزيادة سرعة المحلول على سطح المدفأة باستخدام مضخة إعادة التدوير أو المحرض؛ تقلل السرعة الأعلى من سمك الطبقة الحدودية وتزيد من تركيز السطح بنسبة 10-20% عند نفس التركيز الحجمي. ثالثًا، تقليل تدفق الحرارة عن طريق زيادة مساحة سطح السخان؛ يؤدي انخفاض تدفق الحرارة بنسبة 20% إلى خفض درجة حرارة السطح بمقدار 8-10 درجات، مما يقلل من الترسيب الحراري ويزيد تركيز السطح.
**خاتمة**
بالنسبة لملفات تسخين التيتانيوم من الدرجة 7 في 8% من حمض التيلوريك، 2% من محلول تلميع أشباه الموصلات من حمض الكبريتيك عند 80 درجة، فإن الحد الأدنى لتركيز حمض التيلوريك السائب المطلوب للحفاظ على تركيز سطحي أعلى من 6% (العتبة الحرجة لمنع الحفر عند الشوائب السطحية) لمدة 3000 ساعة هو 7%. أقل من 6% من التركيز السائب، ينخفض التركيز السطحي إلى أقل من 4.5%، ويبدأ التنقر خلال 800 ساعة عند وجود شوائب على السطح. يتم التحكم في تركيز السطح عن طريق التوازن بين تركيز الكتلة، وتدفق الحرارة، وسرعة المحلول. يجب على المهندسين الذين يحددون سخانات التيتانيوم من الدرجة 7 لتلميع حمض التيلوريك الحفاظ على حمض التيلوريك السائب أعلى من 7٪ مع المراقبة الأسبوعية، وضمان سرعة المحلول الكافية، والنظر في انخفاض تدفق الحرارة لتحقيق أقصى قدر من الموثوقية. تمنع مواصفات التركيز هذه التنقر المستحث - - وهو وضع الفشل السائد في تطبيقات تلميع أشباه الموصلات بحمض التيلوريك.
