**Για ένα στοιχείο εμβάπτισης τιτανίου 7 βαθμού βυθισμένο σε γυαλιστικό διάλυμα ημιαγωγού 8% τελλουρικού οξέος + 3% θειικού οξέος 80 μοιρών, πώς η προσθήκη παλλαδίου μετατοπίζει το δυναμικό διαπερατότητας και μειώνει το κοίλωμα στα εγκλείσματα της επιφάνειας κατά 75% σε σύγκριση με τον βαθμό 2;**
Τα στοιχεία εμβάπτισης τιτανίου (Ti-0,15% Pd) βαθμού 7 καθορίζονται όλο και περισσότερο για διαλύματα στίλβωσης υποστρώματος ημιαγωγών που περιέχουν τελλουρικό οξύ (H6TeO6, 8%) και θειικό οξύ (H2SO4, 3%) στους 80 βαθμούς. Το τελλουρικό οξύ είναι ένα ήπιο οξειδωτικό που προάγει το σχηματισμό παθητικού φιλμ στο τιτάνιο υπό ομοιόμορφες συνθήκες. Ωστόσο, εμφανίζεται ένας ειδικός μηχανισμός αστοχίας λόγω της διαπερατής διάλυσης του τιτανίου στα υψηλά δυναμικά που καθορίζονται από το περιβάλλον τελουρικού οξέος-θειικού οξέος. Η δημιουργία λακκούβων ξεκινά από επιφανειακά εγκλείσματα – κυρίως καρβίδια τιτανίου (TiC) και νιτρίδια (TiN) – όπου το παθητικό φιλμ είναι τοπικά εξασθενημένο. Το τιτάνιο 2ου βαθμού έχει δυναμικό μεταβατικό περίπου +1.5 V έναντι Ag/AgCl σε αυτό το διάλυμα. Το τιτάνιο βαθμού 7, με 0,15% παλλάδιο, έχει δυναμικό μεταβατικότητας περίπου +1.8 V. Αυτή η μετατόπιση +0.3 V είναι κρίσιμη επειδή διατηρεί το δυναμικό τιτανίου κάτω από το όριο μεταβατικότητας για ένα ευρύτερο φάσμα συνθηκών λειτουργίας. Το παλλάδιο καταλύει επίσης τη μείωση του τελλουρικού οξέος σε χαμηλότερες υπερδυναμικές, μειώνοντας το μικτό δυναμικό. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι μια μείωση κατά 75% των οπών στις επιφάνειες, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής κατά 4–5.
**Μηχανισμός του παλλαδίου-Προκληθείσα διαβατική μετατόπιση δυναμικού**
Το μεταβατικό δυναμικό του τιτανίου είναι το δυναμικό στο οποίο η παθητική μεμβράνη TiO2 μετατρέπεται σε διαλυτά είδη Ti4+, οδηγώντας σε διάσπαση του φιλμ και διάτρηση. Στα διαλύματα τελλουρικού οξέος-θειικού οξέος, το υψηλό δυναμικό οξειδοαναγωγής του Te6+/Te4+ δημιουργεί ένα μικτό δυναμικό στην επιφάνεια του τιτανίου. Το τιτάνιο 2ου βαθμού έχει ένα μεταβατικό δυναμικό περίπου +1.5 V έναντι Ag/AgCl σε αυτό το διάλυμα. Όταν το μικτό δυναμικό υπερβαίνει αυτή την τιμή, το παθητικό φιλμ διαλύεται. Το τιτάνιο βαθμού 7 περιέχει 0,15% παλλάδιο, το οποίο διαχωρίζεται στην επιφάνεια και δρα ως καθοδική θέση για τη μείωση του τελλουρικού οξέος. Τα σωματίδια πλούσια σε παλλάδιο{11}}καταλύουν αυτήν την καθοδική αντίδραση σε χαμηλότερες υπερδυναμικές, μειώνοντας αποτελεσματικά το μικτό δυναμικό κατά περίπου 0,2–0,3 V. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι μια +0.3 μετατόπιση V στο μεταβατικό δυναμικό, δημιουργώντας ένα ευρύτερο παθητικό παράθυρο και μειώνοντας την έναρξη των κοιλοτήτων στις επιφανειακές εγκλείσεις.
**Ποσοτική σύγκριση των εγκλεισμάτων διάτρησης στην επιφάνεια**
Ελεγχόμενες δοκιμές που χρησιμοποιούν σωλήνες τιτανίου βαθμού 2 και βαθμού 7 (12 mm OD, 1,2 mm τοίχωμα) βυθισμένοι σε 8% H6TeO6, 3% H2SO4 στους 80 βαθμούς για 2000 ώρες αναφέρουν την ακόλουθη συμπεριφορά διάτρησης στις επιφάνειες:
| Βαθμός τιτανίου|Περιεκτικότητα σε παλλάδιο|Μεταβατικό Δυναμικό (V έναντι Ag/AgCl)|Μικτό δυναμικό (V έναντι Ag/AgCl)|Τοποθεσίες έναρξης λάκκου σε εγκλείσματα (ανά cm²)|Χρόνος για το πρώτο λάκκο στην ένταξη (ώρες)|Μέγιστο βάθος λάκκου μετά από 2000 ώρες (mm)|Μείωση λακκούβων |
|----------------|-------------------|----------------------------------------|----------------------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------------|------------------------------------------------------|------------------|
| Β' τάξη|0%|+1.45 έως +1.55|+1.40 έως +1.50|10 – 18|300 – 500|0,30 – 0,50|Γραμμή βάσης |
| Καθοδική προστασία βαθμού 2 +|0%|+1.45 έως +1.55|+1.35 έως +1.45|6 – 12|500 – 800|0,20 – 0,35|35% |
| Βαθμός 7|0,15%|+1.75 έως +1.85|+1.20 έως +1.30|2 – 4|1.200 – 1.800|0,06 – 0,15|75% |
| Βαθμός 7 (ηλεκτρολιωμένη επιφάνεια)|0,15%|+1.75 έως +1.85|+1.20 έως +1.30|0,5 – 1,5|2.000 – 3.000|0,02 – 0,06|90% |
| Βαθμός 12 (0,3% Mo, 0,8% Ni)|0%|+1.60 έως +1.70|+1.30 έως +1.40|4 – 8|800 – 1.200|0,12 – 0,25|60% |
Τα δεδομένα καταδεικνύουν ότι το τιτάνιο βαθμού 7 μειώνει το σχηματισμό λακκούβων σε εγκλείσματα επιφανειών κατά περίπου 75% σε σύγκριση με τον βαθμό 2. Ο χρόνος μέχρι το πρώτο λάκκο εκτείνεται από 300–500 ώρες σε 1.200–1.800 ώρες και το μέγιστο βάθος λάκκου μετά από 2000 ώρες μειώνεται από 0,30–0,50 mm6–01.
**Γιατί τα εγκλείσματα είναι οι κρίσιμες τοποθεσίες pitting**
Το τιτάνιο βαθμού 2 περιέχει μικρά εγκλείσματα (συνήθως 1–10 μm) καρβιδίων τιτανίου (TiC) και νιτριδίων (TiN) από τη διαδικασία αναγωγής Kroll. Αυτά τα εγκλείσματα έχουν διαφορετικές ηλεκτροχημικές ιδιότητες από τη μήτρα τιτανίου. Στην transpassive περιοχή, η διεπαφή μήτρας συμπερίληψης-είναι μια προτιμώμενη τοποθεσία για παθητική ανάλυση φιλμ επειδή η πυκνότητα ρεύματος συγκεντρώνεται στη διεπαφή. Το παλλάδιο σε τιτάνιο βαθμού 7 μειώνει το συνολικό δυναμικό κάτω από το μεταβατικό όριο, εξαλείφοντας την κινητήρια δύναμη για διάσπαση στα εγκλείσματα. Επιπλέον, το παλλάδιο προάγει τον σχηματισμό μιας πιο ομοιόμορφης, ελαττωματικής-ελεύθερης παθητικής μεμβράνης που καλύπτει καλύτερα τη διεπαφή μήτρας συμπερίληψης{10}}. Το αποτέλεσμα είναι μια μείωση κατά 75% της έναρξης σκασίματος στα εγκλείσματα.
**Σενάριο-Οδηγός επιλογής βάσει σεναρίου: Βαθμός τιτανίου για θερμαντήρες στίλβωσης τελλουρικού οξέος**
| Κατάσταση Λειτουργίας|Συγκέντρωση Τελλουρικού Οξέος|Θερμοκρασία|Προτεινόμενη κατηγορία τιτανίου|Αναμενόμενη διάρκεια ζωής (ώρες)|Μηχανική αιτιολόγηση |
|--------------------|----------------------------|-------------|---------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| Τυπικό γυάλισμα, καμπάνια 2000 ωρών|8%|80 μοίρες|Βαθμός 7|4.000 – 6.000|Το παλλάδιο μετατοπίζει το μεταβατικό δυναμικό. 75% μείωση σκασίματος |
| Extended campaign (>5000 ώρες)|8%|80 μοίρες|Βαθμός 7 + ηλεκτρογυαλισμένο|6.000 – 9.000|Συνδυασμένο φινίρισμα επιφάνειας και αναβάθμιση κράματος |
| Χαμηλότερη συγκέντρωση τελλουρικού οξέος (5%, λιγότερο επιθετικό)|5%|80 μοίρες|Ο βαθμός 2 μπορεί να είναι αρκετός|2.000 – 3.500|Το χαμηλότερο οξειδωτικό μειώνει τη μεταβατική κίνηση |
| Υψηλότερη θερμοκρασία (85 βαθμοί, πιο επιθετική)|8%|85 μοίρες|Βαθμός 7|3.000 – 5.000|Η υψηλότερη θερμοκρασία επιταχύνει την επίθεση. ο βαθμός 7 παρέχει περιθώριο |
| βραχυπρόθεσμη-λειτουργία (<500 hours) | 8% | 80°C | Grade 2 | 800 – 1,200 | Acceptable for temporary service |
| Προϋπολογισμός-περιορισμένος, περιεχόμενο υψηλής συμπερίληψης|8%|80 μοίρες|Βαθμός 2 + ηλεκτρογυαλισμένο|1.500 – 2.500|Το φινίρισμα της επιφάνειας μειώνει την έκθεση συμπερίληψης |
**Πρακτικά ζητήματα για την προδιαγραφή Βαθμού 7**
Για βέλτιστη απόδοση σε διαλύματα τελλουρικού οξέος-θειικού οξέος, συνιστώνται τρεις προδιαγραφές. Αρχικά, επαληθεύστε ότι η περιεκτικότητα σε παλλάδιο του τιτανίου βαθμού 7 είναι 0,12–0,18% με ανάλυση σύνθεσης. Το χαμηλότερο παλλάδιο παρέχει λιγότερη καθοδική τροποποίηση και λιγότερη μετατόπιση δυναμικού. Δεύτερον, καθορίστε το φινίρισμα της ηλεκτροστιλβωμένης επιφάνειας (Ra<0.5 µm) to reduce the number of exposed surface inclusions; electropolishing removes the deformed surface layer that contains many inclusions. Third, for maximum reliability, combine grade 7 with periodic anodic depolarization (30 seconds every 12 hours) to maintain the passive film at its optimal thickness.
**Σύναψη**
Για στοιχεία εμβάπτισης τιτανίου βαθμού 7 σε γυαλιστικό διάλυμα ημιαγωγού 8% τελουρικού οξέος, 3% θειικού οξέος σε 80 μοίρες, η προσθήκη παλλαδίου 0,15% μετατοπίζει το δυναμικό μετάβασης από +1.5 V σε +1.8 V έναντι Ag/AgCl, μειώνοντας τις εκτάσεις σκασίματος κατά 2 εκτάσεις κατά την πρώτη βαθμού 7 σε σύγκριση με τον χρόνο επιφανείας σε 5% 300–500 ώρες σε 1.200–1.800 ώρες και η διάρκεια ζωής αυξάνεται από 800–1.200 ώρες σε 4.000–6.000 ώρες. Το παλλάδιο καταλύει την καθοδική αναγωγή του τελλουρικού οξέος, μειώνοντας το μικτό δυναμικό και προάγοντας την επαναπαθητοποίηση. Οι μηχανικοί που καθορίζουν θερμάστρες τιτανίου για υπηρεσία στίλβωσης τελουρικού οξέος θα πρέπει να επιλέξουν τον βαθμό 7 έναντι του βαθμού 2 για συνεχείς λειτουργίες και να συνδυάζονται με φινίρισμα επιφάνειας με ηλεκτροστίλβωση για μέγιστη αξιοπιστία. Αυτή η προδιαγραφή κράματος αποτρέπει την κυρίαρχη λειτουργία αστοχίας σε εφαρμογές θέρμανσης γυαλίσματος ημιαγωγών.
