7440-32-6 / 高纯钛粉的制备方法

纯钛一般是指纯度(质量分数)大于99%的钛材料，其中高纯钛纯度可以达到4N级(99.99 % )，甚至更高。作为钛系列产品中的一员，高纯钛除具有密度低、熔点高、抗腐蚀性强等性质外，还具有强度低、塑性好(延伸率可达50 %〜60 %，断面收缩率可达70 %〜80 % )等特点。近年来，随着航空航天、电子信息等高科技产业的快速发展，高纯钛的用量也越来越多，采用适当的方法制造高品质、低成本的高纯钛，关系到这些行业的发展。

高纯钛在半导体超大规模集成电路中以钛硅化合物(TiSix),氮化钛(TiN)、钨钛(W-Ti)等形式用做控制电极，扩散阻挡层，配线等材料。而高质量的高纯钛粉则用于制造净成形钛粉末冶金致密件和多孔件，如利用钛和钛合金良好的耐蚀性及高的比强度，用于制造飞机汽车发动机构件和石油化工等工业部门的耐磨耐蚀部件。在科学技术和工业应用高速发展的今天，加大对高纯钛及其粉末制备技术的研究是尤为紧迫和必要的。

制备方法

目前制备高纯钛粉的最常用方法是采用克劳尔法生产的海绵钛作为原料，以氢化脱氢为制备方法。然而，传统克劳尔法制得的海绵钛原料成分中不可避免的存在镁、铁杂质与一定成分的氧。海绵钛杂质含量及氧含量偏高，且海绵钛氢化过程的高温过程(500°C)易发生氧化，以上导致这种无法制备高纯低氧钛粉(>99.9%，3N)，成为长期困扰粉末冶金钛行业发展的技术瓶颈。同时所用TiCl4原料存在毒性和爆炸危险也是该传统工艺的缺陷。

而未经处理的钛材原料氢化温度相对偏高，这也促进了高温下残氧与原料钛材的反应，这不利于保持所得氢化钛的低氧含量。在原料预处理方面，对固体材料采用大塑性变形法加工可以使其转化为超细晶材料，而高压扭转技术正式这样一种近年来被广泛应用的技术。高压扭转的基本过程为在室温或低于0.41»温度的条件下，模具内的盘状试样被施以几个GPa的压力，同时下模转动通过主动摩擦在其横截面上施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形，使材料产生较大的剪切塑性变形，改善材料内、部组织，获得亚微米级甚至纳米级块体材料。

如果将高压扭转加工钛材，可大大增加钛材位错密度、内应力和晶界数量，获得纳米晶钛材，以达到活化原料的目的，有助于降低氢化温度，并使反应充分进行。后续步骤中氢化-脱氢制备高纯钛粉的原理为:氢气气氛中加热熔盐电解钛原料使其充分吸氢后脆化，随后进行破碎，并在高温真空环境中进行还原，最后进一步破碎至所需粒度。氢化-脱氢技术被认为是获得高纯钛粉的普遍有效技术手段。所得钛粉纯度高组分均匀、纯度高、粒度细小、工艺性能优良。

以高纯熔盐电解钛为原料，应用上述高压扭转法结合氢化脱氢工艺制备超细高纯钛粉的方法，目前还未见报道。

一种高纯钛粉的制备方法，包括以下步骤:

(I)原料电解钛高压扭转超细晶化处理:I)选取高纯度熔盐电解钛为原料，在室温或低于0.4Tm温度的条件下，模具内的盘状试样被施以几个GPa的压力P，同时下模转动通过主动摩擦在其横截面上施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形。

(2)超细晶钛材氢化处理:原料钛材进行高压扭转之后，置于真空炉内，将真空炉抽真空后通入氩气，以氩气作为保护气体对炉体洗气三次以排除残氧。加热炉体，对原料进行预热活化。在各个温度下进行加热并保温，以达到活化原料的目的。保温分为低中高三个区间。原料充分活化后，最后降温至氢化温度，向炉内通入氢气，保持气氛条件微正压。待原料吸收氢气，炉压降低至大气压以下，再次补充氢气。当通入氢气一段时间后，炉压不再明显下降，则原料钛吸氢基本完成；

(3)氢化钛冷却后取出进行球磨细化。采用行星式球磨机将氢化钛置于氩气保护气氛中球磨至所需的粒度，取出后的氢化钛粉再置于真空炉中脱氢。脱氢一定时间后，得到的钛最后进行进一步研磨破碎，即得到产品超细高纯钛粉。