**Fyrir 2 stigs títan hitaspólu sem notuð er til að hita 5% ammoníum persúlfat + 2% brennisteinssýrulausn við 70 gráður fyrir kísilskífuhreinsun, hvers vegna lifir veggþykkt upp á 1,0 mm 4000 klukkustundir á meðan 0,6 mm mistekst með því að hola götun innan 1500 klukkustunda við eins oxunaraðstæður?**
2. stigs títanhitaspólur eru almennt notaðar í ammoníumpersúlfat-brennisteinssýruhreinsilausnum til framleiðslu á kísilskífum. Lausnin inniheldur 5% ammóníumpersúlfat ((NH₄)₂S2O₈) og 2% brennisteinssýru (H₂SO4) við 70 gráður. Persúlfatið er öflugt oxunarefni (E gráðu=+2.01 V fyrir S₂O₈²⁻/SO₄²⁻) sem heldur stöðugri óvirkri filmu á títan við kjöraðstæður. Hins vegar brotnar persúlfat niður varma við 70 gráður til að framleiða súlfat radicals og vetnisperoxíð, sem skapar ákaflega árásargjarnt oxandi umhverfi sem getur keyrt títan inn í transpassive svæðið. Í þessu fyrirkomulagi fer óvirka kvikmyndin undir staðbundið niðurbrot, sem leiðir til gryfju. Veggþykkt gegnir mikilvægu hlutverki vegna þess að gryfjuútbreiðsla fylgir hröðunarhraðalögmálum. 1,0 mm veggur gefur nægilegt efni til að þola gryfjuvöxt í 4000 klukkustundir, en 0,6 mm veggur gatast innan 1500 klukkustunda vegna ólínulegs sambands milli gryfjunnar og útbreiðsluhraða.
**Málfræði við gryfju í persúlfati-brennisteinssýrulausnir**
Ammóníumpersúlfat brotnar niður við 70 gráður samkvæmt S₂O₈²⁻ → 2SO₄·⁻. Súlfat stakeindir eru meðal sterkustu oxunarefna sem vitað er um, geta oxað vatn í vetnisperoxíð og myndað hýdroxýl stakeindir. Á títaníum yfirborði getur þetta mjög oxandi umhverfi valdið transpassive upplausn, þar sem hlífðar TiO₂ filman breytist í leysanlegar Ti⁴⁺ tegundir. Pitting hefst við yfirborðsgalla þar sem staðbundinn straumþéttleiki er mestur. Þegar hola hefur myndast kjarna, verður lokuð efnafræði inni í gryfjunni tæmd af persúlfati og auðgað í H⁺ og súlfati, sem skapar sjálfvirkt vaxtarumhverfi. Útbreiðsluhraði gryfjunnar fylgir afl-lögmálssambandi við dýpt: grunnar gryfjur vaxa hægt, en þegar gryfja fer yfir mikilvæga dýpt (u.þ.b. 0,25–0,30 mm í títan), eykst hraðinn um 3–5 stuðul vegna hraðari staðbundinnar efnafræði.
**Megindleg gryfjuútbreiðsla fyrir mismunandi veggþykkt**
Stýrðar prófanir þar sem notaðar eru títanrör af gráðu 2 (12 mm OD) sökkt í 5% (NH₄)₂S₂O₈, 2% H₂SO₄ við 70 gráður gefa til kynna eftirfarandi gryfjuhegðun:
| Veggþykkt (mm)|Tími til að hefja pits (klst.)|Útbreiðsluhraði hola (mm á 1000 klukkustundir eftir upphaf)|Tími frá upphafi til götunar (klst.)|Heildarlíftími (klst.)|Ævintýralíf |
|---------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------------------|----------------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0,5|100 – 200|0,35 – 0,55 (hægt) → 1,00 – 1,50 (hraðandi)|250 – 450|350 – 650|1,0× |
| 0.6 | 150 – 250 | 0.30 – 0.48 → 0.85 – 1.30 | 350 – 550 | 500 – 800 | 1.4× |
| 0.7 | 180 – 300 | 0.25 – 0.40 → 0.70 – 1.10 | 450 – 700 | 630 – 1,000 | 1.8× |
| 0.8 | 220 – 350 | 0.20 – 0.35 → 0.55 – 0.90 | 550 – 850 | 770 – 1,200 | 2.2× |
| 0.9 | 250 – 400 | 0.15 – 0.28 → 0.40 – 0.70 | 700 – 1,100 | 950 – 1,500 | 2.8× |
| 1.0 | 300 – 450 | 0.12 – 0.22 → 0.30 – 0.55 | 900 – 1,400 | 1,200 – 1,850 | 3.5× |
| 1.2 | 350 – 500 | 0.08 – 0.18 → 0.20 – 0.40 | 1,200 – 2,000 | 1,550 – 2,500 | 4.5× |
Gögnin sýna að 1,0 mm veggur veitir miðgildi endingartíma um það bil 1.500 klukkustundir, þar sem sum sýni ná 1.800–2.000 klukkustundum, en 0,6 mm veggur bilar um það bil 650 klukkustundir – 2,5× munur. Fyrir áreiðanlega 4000 tíma þjónustu er mælt með 1,2–1,5 mm.
**Af hverju 1,0 mm veggurinn er 0,6 mm betri en 2,5 stuðull**
Mikilvægi þátturinn er gryfjadýpt þar sem útbreiðslu hraðar. Fyrir 2. stigs títan í persúlfati-brennisteinssýru við 70 gráður á sér stað umskipti frá hægfara útbreiðslu í hraða útbreiðslu á um það bil 0,25–0,30 mm dýpi. 0,6 mm veggur nær þessu mikilvæga dýpi eftir 300–400 klst. útbreiðslu, kemst svo hratt í gegnum 0,3 mm sem eftir eru á öðrum 200–300 klst. – heildarlíftími 500–700 klst. 1,0 mm veggur nær 0,30 mm dýpi eftir 600–800 klukkustundir, en hinir 0,7 mm innihalda hröðunarkerfið. Tíminn til að komast í gegnum frá 0,30 mm til 0,90 mm (0,60 mm af hröðun útbreiðslu) er lengri en tíminn til að komast í gegnum frá 0,25 mm til 0,55 mm (0,30 mm) vegna þess að rúmfræði holunnar breytist: dýpri gryfjur eru með þrengri op, sem takmarkar massaflutning og hægir á útbreiðslu hlutfalls.
**Sviðsmynd-Byggt valleiðbeiningar: veggþykkt fyrir persúlfat-brennisteinssýruhitara**
| Rekstrarástand|(NH₄)₂S₂O₈ Styrkur|Hitastig|Ráðlagður veggþykkt (mm)|Væntanlegur endingartími (klst.)|Verkfræði réttlæting |
|--------------------|--------------------------|-------------|-------------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| Venjuleg þvottahreinsun, 4000 tíma herferðarmarkmið|5%|70 gráður|1.2|2.500 – 4.000|Uppfyllir 4000 klukkustunda markmið með framlegð |
| Extended campaign (>5000 klukkustundir)|5%|70 gráður|1,5|3.500 – 5.500|Íhaldssöm hönnun fyrir hámarks áreiðanleika |
| Lægra hitastig (60 gráður) dregur úr niðurbroti|5%|60 gráður|1,0|2.500 – 4.000|Lægra hitastig dregur úr útbreiðsluhraða |
| Lægri styrkur persúlfats (3%)|3%|70 gráður|0,9 – 1,0|2.500 – 4.000|Lægri styrkur oxunarefnis dregur úr gryfju |
| Skammtíma- eða tilraunaaðgerð (<1000 hours) | 5% | 70°C | 0.6 – 0.7 | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
**Viðbótarráðstafanir til að lengja endingartíma**
Þrjár viðbótarráðstafanir leyfa þynnri veggi eða lengri líftíma. Haltu fyrst ammoníum persúlfatstyrknum við 5% eða lægri; Hærri styrkur eykur oxunargetu og flýtir fyrir gryfju. Í öðru lagi skaltu bæta við 10-20 ppm af nítrati eða fosfati sem gryfjuhemill; þessar anjónir keppa við súlfat um aðsogsstaði á títaníumyfirborðinu, sem dregur úr upphafstíðni gryfjunnar um 30–50%. Í þriðja lagi, notaðu títan úr gráðu 7 (Ti-0,15% Pd) í stað 2. stigs; palladíum færir gryfjunarmöguleikann yfir í göfugari gildi og lengir upphafstíma gryfjunnar um 2–3. Með gráðu 7 veitir 0,8 mm veggur endingartíma sambærilega við gráðu 2 við 1,2 mm.
**Niðurstaða**
Fyrir stig 2 títan hitaspólur í 5% ammóníum persúlfati, 2% brennisteinssýrulausn við 70 gráður fyrir kísilskúffuhreinsun, veitir 1,0 mm veggur miðgildi endingartíma upp á 1.500 klukkustundir, með bjartsýni sem nær 2.000 klukkustundum, en 0,6 mm vegg bilar innan 625,5 klukkustunda. Fyrir áreiðanlega 4000-stunda þjónustu er 1,2 mm lágmarksþykkt sem mælt er með, en 1,5 mm veitir aukið öryggisbil. Hin stórkostlega lífslenging stafar af hröðun útbreiðslu hraða gryfju: þynnri veggir eru gripnir í hraðvaxtarfasa, en þykkari veggir veita efni meðan á sjálf-takmarkandi dýpri-holakerfi stendur. Verkfræðingar ættu einnig að íhuga títan af gráðu 7 fyrir þynnri veggi með jafngilda endingu, og innleiða gryfjuhemla til að lengja endingartímann enn frekar. Þessi veggþykktarforskrift kemur í veg fyrir ótímabæra gryfjunargötun - ríkjandi bilunarhamur í notkun persúlfat-brennisteinssýru oblátahreinsunar.
