Hvernig breytir hitaþenslumisræmi milli PFA og innri málmkjarna heilleika bindilagsins við hitauppstreymi?

Sérhver PFA-hjúpaður dýfahitari hefur málmhitunarkjarna, venjulega úr Incoloy 825, títan eða ryðfríu stáli 316, umkringdur lagi af PFA. PFA lagið er annaðhvort pressað beint á málminn eða borið á sem hita-hringið rör með millilímandi bindilagi. Þetta tengilag er venjulega 0,05–0,20 mm þykkt í verslunarhitara og hefur tvær mikilvægar aðgerðir: það flytur varma frá málmkjarnanum að ytri PFA slíðrinu og það kemur í veg fyrir aflögun sem getur leitt til rakainnskots og rafmagnsleka. PFA (100–120 ppm/gráða) og málmkjarna (14–18 ppm/gráða) eru með hitastuðul (CTE) sem munar um sex stuðul. Yfir 30 cm lengd leitast PFA við að þenjast út 0,8–1,2% meira en málmkjarnann í hverri upphitunarlotu frá umhverfishita til vinnuhita (td 25 gráður til 150 gráður fyrir háhita sýruböð). Þessi munur á þenslu leiðir til hringlaga klippiálags við PFA-málmviðmótið, með áherslu á enda tengda svæðisins. Tengilagið, oft breytt flúorfjölliða eða viðloðun sem byggir á sílan-, verður að sætta sig við þessa hringlaga skurðspennu án bilunar (samloðandi eða klístur). Endurtekin hitastig eyðileggur hægt og rólega tengingarlagið með þreytubúnaði, sem veldur að lokum staðbundinni delamination og ótímabæra bilun í hitara.

Þróun skurðspennu við tengiviðmót af völdum CTE misræmis.
Mismunurinn á varmaþenslustuðlunum framleiðir ójafnt álagssvið, þó mjög staðbundið, á endum hlekkjasvæðisins. Taktu hitara með 50 cm löngum málmkjarna sem er alveg lokaður með PFA. Frjáls (ótengdur) PFA myndi lengjast um 0,125 mm á hvern cm lengd (CTE 110 ppm/gráðu × 125 gráður=0.01375 mm/cm) eða 0,69 mm yfir 50 cm þegar hitað er úr 25 gráður í 150 gráður. Frjálsi málmkjarninn myndi stækka um 0,020 mm á cm (CTE 16 ppm/gráðu × 125 gráður=0.002 mm/cm) eða 0,10 mm yfir 50 cm. Þennan mun upp á 0,59 mm þarf að jafna upp með skurðaflögun á bindilaginu. Fyrir bindilag sem er 50 cm að lengd er meðal klippþynning aðeins 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12%) sem er óverulegt. Hins vegar er bindilagið ekki jafnt afmyndað yfir lengd þess. Á miðju tengt svæði neyðast PFA og málmur til að ferðast saman og hlutfallsleg tilfærsla er núll. Endarnir á tengda svæðinu verða að takast á við allt 0,59 mm af mismunadrifsþenslu yfir stutta fjarlægð -venjulega 2-5 mm frá enda tengisins. Þetta leiðir til þess að styrkstuðull í klippistofninum er 50 til 100 sinnum hærri en dæmigerður stofn. Endanlegt frumlíkan af hefðbundnum PFA-hitara á málmi með 0,10 mm þykku bindilagi spáir fyrir um hámarks skurðspennu af stærðargráðunni 15-25% við tengiendana fyrir 125 gráðu hitahækkun.

Fyrir flest umbreytt flúorfjölliða lím jafngildir 15-25% klippþol í bindilaginu 3-6 MPa skurðspennu, miðað við skurðstuðulinn (um 20-30 MPa í gúmmíkenndu ástandi yfir glerhitastigi). Þetta álagsstig er lægra en endanlegur skurðstyrkur nýlega setts bindilags (venjulega 8–12 MPa). Tengilagið lifir af eina hitalotu. Hins vegar er sama hámarksskurðspenna endurtekin í hverri lotu sem veldur því að þreytuskemmdir hefjast. Lýsa má þreytulífi bindilagsins með kraftlögmáli: Nf=A × (σskera)-b, þar sem b er venjulega á milli 5 og 8 fyrir flúorfjölliða lím. 5 MPa streita getur valdið bilun við 10.000 lotur en 3 MPa spenna getur gefið líf umfram 50.000 lotur. Í reynd þýðir þetta að ofnar sem starfa með hitasveiflu upp á 125 gráður (td . 25 gráður til 150 gráður ) munu hafa 5.000-15.000 lotur í þreytu á bindilaginu, en hitari með 60 gráðu sveiflu (td . 30 gráður til 900,00) endist í 9000,00 gráður hringrásir.

Vélar og uppgötvun á útbreiðslu delamination
Þegar þreytuskemmdirnar hefjast á tengingarendanum, breiðist aflögunin út meðfram viðmótinu um tvær leiðir. Fyrsti aðferðin er hringlaga klippingarþreyta. Í hverri hitalotu er sama klippuþynndreifing beitt og sprunguframhliðin dreifist 10-50 $\\mu$m á hringrás, háð álagsstyrkstuðlinum við sprunguoddinn. Eftir því sem delamination þróast lengur, styttist lengdin sem tengist og klippiálagið við nýja sprunguoddinn eykst þar sem heildarmismunadrifið þarf að koma til móts við styttri bindingarlengd sem eftir er. Þessi jákvæða endurgjöf eykur útbreiðslu: aflagun sem þróast í 10% af allri lengd bindingarinnar verður fyrir 10–20% meiri klippingu á sprunguodda en upphaflegi bindingarenda, sem veldur því að hún breiðist hraðar út. Önnur aðferðin er árás á umhverfið. Í ætandi þjónustu eins og sýruböðum, ætandi hreinsilausnum eða blautum klórstillingum berst árásargjarn miðillinn inn í delamination bilið með háræðaverkun. Efnategundirnar ráðast annaðhvort á bindilagið sjálft eða yfirborð málmkjarna og breytir delamination úr hreinu vélrænu þreytubroti í tæringaraðstoðaða sprungu. Greining á vettvangsbilun á PFA hitara sem notaðir eru í hálfleiðara blautum bekkjum sýnir að 70% af delamineringsbilunum eru við bindingarenda sem verða fyrir vinnsluvökvanum samanborið við 30% við þurra (efri) bindisendana fyrir ofan vökvalínuna. Þetta gefur til kynna að umhverfisvökvi breiðir út bilunina með stuðlinum 3-5.

Reglubundnar rafmagnsprófanir eru nauðsynlegar til að greina delamination á tengilaginu áður en skelfilegt hrun verður. Rýmd milli málmkjarna og ytra jarðskauts á fulltengdum PFA hitara með ósnortnu PFA er stöðugt allan tímann. Í aflögunarferlinu myndast loftgap á viðmótinu. Rafstuðull lofts er um það bil 1,0 og PFA er 2,1. Þannig birtist aflagaður hluti sem lægri-rýmd hluti. Mældu rýmdina meðfram lengd hitara, annaðhvort með því að nota sundrað ytra rafskaut eða með því að þýða staka rafskautsklemma. Staðbundin delamination er gefin til kynna með rýmdarbreytingu sem er meiri en 15% á milli aðliggjandi 5 cm hluta. Ef hitarinn er með jarðplani innbyggt í PFA slíðrið (algengt fyrir öryggis-hönnun) skaltu mæla einangrunarviðnám milli málmkjarna og jarðplans. Gildi lækkuðu úr 100–500 MΩ í 10–50 MΩ á 6–12 mánuðum, sem gefur til kynna umtalsverða delamination og rakaíferð inn í bilið.

Breytingar á hönnun bindingalaga og þreytuhegðun
Ekki eru allar PFA-við-málmtengingaraðferðir jafn árangursríkar við hitastig. Það eru fjórar dæmigerðar byggingaraðferðir, sem hver notar mismunandi viðbrögð við CTE misræmi álags. Fyrsta, þreytuþolnasta aðferðin sameinar efnafræðilega etsaðan málmkjarna með grunnlagi af breyttu PFA með hvarfgjarnum hópum (maleinsýruanhýdríði eða svipuðum tengiefnum). Grunnurinn hvarfast efnafræðilega við málmoxíðlagið til að búa til samgilt tengi, ekki bara lím. Þessi uppbygging gefur 50.000 til 100.000 lotur af klippiþreytu í bindilagi við ΔT=100 gráðu. Önnur aðferðin felur í sér vélrænni samlæsingu, þar sem málmkjarninn er sandblásinn á gróft yfirborð (Ra=3–5 µm) og PFA er pressað beint á gróft yfirborðið án viðbótar líms. PFA smýgur í gegnum yfirborðsskemmdir sem veldur vélrænni læsingu. Þessi nálgun hefur í för með sér þreytulíf upp á 20.000-40.000 lotur, en mistekst með öðrum aðferðum, þ.e. PFA rífur út úr skömmunum frekar en að bindingalagið mistekst samfellt. Þriðja aðferðin byggist á afgangshringþjöppun frá skreppapassingu á hitasamkrónu PFA röri yfir sléttan málmkjarna án yfirborðsmeðferðar. Þreytuþolið er mjög mismunandi, frá 2.000 til 15.000 lotum, allt eftir efnafræði límsins.

Eftirfarandi tafla sýnir áætlaðan þreytulíf bindilagsins fyrir hverja framleiðsluaðferð sem fall af stærð hitasveiflu (ΔT), hámarks rekstrarhita og alvarleika efnaumhverfisins.

Byggingaraðferð Tenging Hámark ΔT á lotu (gráðu)