7440-32-6 / 高純鈦粉的制備方法

純鈦一般是指純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于99%的鈦材料，其中高純鈦純度可以達(dá)到4N級(jí)(99.99 % )，甚至更高。作為鈦系列產(chǎn)品中的一員，高純鈦除具有密度低、熔點(diǎn)高、抗腐蝕性強(qiáng)等性質(zhì)外，還具有強(qiáng)度低、塑性好(延伸率可達(dá)50 %?60 %，斷面收縮率可達(dá)70 %?80 % )等特點(diǎn)。近年來，隨著航空航天、電子信息等高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高純鈦的用量也越來越多，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ圃旄咂焚|(zhì)、低成本的高純鈦，關(guān)系到這些行業(yè)的發(fā)展。

高純鈦在半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路中以鈦硅化合物(TiSix),氮化鈦(TiN)、鎢鈦(W-Ti)等形式用做控制電極，擴(kuò)散阻擋層，配線等材料。而高質(zhì)量的高純鈦粉則用于制造凈成形鈦粉末冶金致密件和多孔件，如利用鈦和鈦合金良好的耐蝕性及高的比強(qiáng)度，用于制造飛機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件和石油化工等工業(yè)部門的耐磨耐蝕部件。在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，加大對高純鈦及其粉末制備技術(shù)的研究是尤為緊迫和必要的。

制備方法

目前制備高純鈦粉的最常用方法是采用克勞爾法生產(chǎn)的海綿鈦?zhàn)鳛樵希詺浠摎錇橹苽浞椒āＨ欢瑐鹘y(tǒng)克勞爾法制得的海綿鈦原料成分中不可避免的存在鎂、鐵雜質(zhì)與一定成分的氧。海綿鈦雜質(zhì)含量及氧含量偏高，且海綿鈦氫化過程的高溫過程(500°C)易發(fā)生氧化，以上導(dǎo)致這種無法制備高純低氧鈦粉(>99.9%，3N)，成為長期困擾粉末冶金鈦行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。同時(shí)所用TiCl4原料存在毒性和爆炸危險(xiǎn)也是該傳統(tǒng)工藝的缺陷。

而未經(jīng)處理的鈦材原料氫化溫度相對偏高，這也促進(jìn)了高溫下殘氧與原料鈦材的反應(yīng)，這不利于保持所得氫化鈦的低氧含量。在原料預(yù)處理方面，對固體材料采用大塑性變形法加工可以使其轉(zhuǎn)化為超細(xì)晶材料，而高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)正式這樣一種近年來被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。高壓扭轉(zhuǎn)的基本過程為在室溫或低于0.41?溫度的條件下，模具內(nèi)的盤狀試樣被施以幾個(gè)GPa的壓力，同時(shí)下模轉(zhuǎn)動(dòng)通過主動(dòng)摩擦在其橫截面上施加一扭矩，促使變形體產(chǎn)生軸向壓縮和切向剪切變形，使材料產(chǎn)生較大的剪切塑性變形，改善材料內(nèi)、部組織，獲得亞微米級(jí)甚至納米級(jí)塊體材料。

如果將高壓扭轉(zhuǎn)加工鈦材，可大大增加鈦材位錯(cuò)密度、內(nèi)應(yīng)力和晶界數(shù)量，獲得納米晶鈦材，以達(dá)到活化原料的目的，有助于降低氫化溫度，并使反應(yīng)充分進(jìn)行。后續(xù)步驟中氫化-脫氫制備高純鈦粉的原理為:氫氣氣氛中加熱熔鹽電解鈦原料使其充分吸氫后脆化，隨后進(jìn)行破碎，并在高溫真空環(huán)境中進(jìn)行還原，最后進(jìn)一步破碎至所需粒度。氫化-脫氫技術(shù)被認(rèn)為是獲得高純鈦粉的普遍有效技術(shù)手段。所得鈦粉純度高組分均勻、純度高、粒度細(xì)小、工藝性能優(yōu)良。

以高純?nèi)埯}電解鈦為原料，應(yīng)用上述高壓扭轉(zhuǎn)法結(jié)合氫化脫氫工藝制備超細(xì)高純鈦粉的方法，目前還未見報(bào)道。

一種高純鈦粉的制備方法，包括以下步驟:

(I)原料電解鈦高壓扭轉(zhuǎn)超細(xì)晶化處理:I)選取高純度熔鹽電解鈦為原料，在室溫或低于0.4Tm溫度的條件下，模具內(nèi)的盤狀試樣被施以幾個(gè)GPa的壓力P，同時(shí)下模轉(zhuǎn)動(dòng)通過主動(dòng)摩擦在其橫截面上施加一扭矩，促使變形體產(chǎn)生軸向壓縮和切向剪切變形。

(2)超細(xì)晶鈦材氫化處理:原料鈦材進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)之后，置于真空爐內(nèi)，將真空爐抽真空后通入氬氣，以氬氣作為保護(hù)氣體對爐體洗氣三次以排除殘氧。加熱爐體，對原料進(jìn)行預(yù)熱活化。在各個(gè)溫度下進(jìn)行加熱并保溫，以達(dá)到活化原料的目的。保溫分為低中高三個(gè)區(qū)間。原料充分活化后，最后降溫至氫化溫度，向爐內(nèi)通入氫氣，保持氣氛條件微正壓。待原料吸收氫氣，爐壓降低至大氣壓以下，再次補(bǔ)充氫氣。當(dāng)通入氫氣一段時(shí)間后，爐壓不再明顯下降，則原料鈦吸氫基本完成；

(3)氫化鈦冷卻后取出進(jìn)行球磨細(xì)化。采用行星式球磨機(jī)將氫化鈦置于氬氣保護(hù)氣氛中球磨至所需的粒度，取出后的氫化鈦粉再置于真空爐中脫氫。脫氫一定時(shí)間后，得到的鈦?zhàn)詈筮M(jìn)行進(jìn)一步研磨破碎，即得到產(chǎn)品超細(xì)高純鈦粉。