CN103418798A - 一种利用钛残靶制备高纯钛粉的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，包括：切割步骤，切割钛残靶成钛样块；酸洗步骤，酸洗所述钛样块；氢化步骤，氢化所述钛样块形成氢化钛样块；成粉步骤，破碎所述氢化钛样块成氢化钛粉；脱氢步骤，加热去除所述氢化钛粉内的氢，得到高纯钛粉。本发明所提供的制备高纯钛粉的方法可回收利用钛残靶，制备用途广泛的高纯钛粉，使得钛资源得到合理有效的利用，并且生产成本低，经济效益高。

Description

一种利用钛残靶制备高纯钛粉的方法

技术领域

本发明涉及一种制备高纯钛粉的方法。

背景技术

钛粉粉末冶金工艺能够获得具有各种性能的制品，应用在国民经济的各个领域。近年来人们一直在大力开发航空和航天工业用的形状复杂零件的加工工艺和生产技术，最有代表性的就是钛粉粉末冶金工艺。多年来国内外对钛粉、钛合金粉末冶金方法的研究表明，钛粉及钛合金粉制造的配件在航天航空和汽车工业有着广阔的应用前景，但对钛粉的要求是越来越高。对于钛合金，氧含量越低、钛纯度越高、粒度越小、结晶速度越快，则其组织结构越好，制得的零件的性能也越优良。钛粉粉末冶金的另一个大方面的应用是制作各种用途的多孔过滤材料，用于食品、化工和医药等许多工业部门。

钛粉是指尺寸小于1mm的钛颗粒群，属于松散物料，其性能综合了钛基体和粉末体的共性。钛粉的应用十分广泛，最主要是用作粉末冶金制取钛或含钛合金的原料。

钛粉根据不同的纯度和粒度有不同的用途。钛粉的杂质含量主要取决于原料的杂质含量，一般钛粉的生产是以海绵钛为原材料，采用氢化脱氢法、预成型还原法或者机械合金法等方法生产，其中氢化脱氢法是生产钛粉最常用的方法。而以普通海绵钛为原料生产出来的钛粉难以达到较高纯度。

随着科技的发展，高纯钛粉的需要量越来越大。高纯钛靶材在磁控溅射后，剩下表面凸凹不平的钛残靶，但钛的纯度不变，其纯度大于等于99.9%，且有20%~70%的钛可再次回收利用。通常的回收作法是将钛残靶重熔后铸成钛锭，但是钛锭无法用于粉末冶金，应用不如高纯钛粉广泛。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种处理钛靶残靶的方法，以回收高纯度钛残靶中的钛，制备需求量大的高纯钛粉。

为解决上述问题，本发明提供一种利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

切割步骤，切割钛残靶成钛样块；

酸洗步骤，酸洗所述钛样块；

氢化步骤，氢化所述钛样块形成氢化钛样块；

成粉步骤，破碎所述氢化钛样块成氢化钛粉；

脱氢步骤，加热去除所述氢化钛粉内的氢，得到高纯钛粉。

可选地，所述切割步骤前，将钛残靶和背板分离。

可选地，所述将钛残靶和背板分离系采用脱焊或者车削的方法分离。

可选地，所述切割步骤中，将钛残靶切割成厚度小于等于15mm的钛样块。

可选地，所述酸洗步骤中，先采用稀盐酸进行酸洗，再用去离子水冲洗干净，然后进行干燥。

可选地，所述氢化步骤中，将所述钛样块均匀放置于氢化炉内，放置时各所述钛样块之间保持空隙。

可选地，所述氢化步骤中，在氢气气氛条件下逐步升高温度，实现所述钛样块与所述氢气的反应。

可选地，所述氢化步骤中，氢化温度在350~680℃范围，氢化时间为1~30小时。

可选地，所述脱氢步骤中，在真空条件和500~800℃的高温条件下所述氢化钛粉进行分解反应，生成所述高纯钛粉。

可选地，所述高纯钛粉在氩气保护环境中按需求进一步进行破碎过筛，以达到所需的粒度和形状。

可选地，在所述氢化步骤和脱氢步骤中，利用降氧剂吸收原料和设备中的杂质气体。

可选地，在制备高纯钛粉过程中实行全程空气湿度的控制使得相对湿度不高于40%。

可选地，在氢化步骤和脱氢步骤中采用不同的降氧剂，且脱氢步骤中降氧剂比氢化步骤中降氧剂活泼。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法包括利用对钛残靶进行切割、酸洗和氢化脱氢等步骤，从而可回收高纯度的钛残靶中的钛，并制备用途广泛的高纯钛粉，使得钛资源得到合理有效的利用，并且生产成本低，经济效益高。

2.本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法的可选方案中，将钛残靶切割成厚度不超过15mm的钛样块，使得在氢化过程中，能够更加迅速地将钛样块氢化成氢化钛样块。

3.本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法的可选方案中，通过加入降氧剂，吸收原料和设备中的杂质气体，使得在高温下氧先与降氧剂发生化学反应，保护钛不被氧化，从而降低了钛粉中的氧含量，使得钛粉纯度更高。

4.本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法的可选方案中，通过实行全程空气湿度的控制，使得湿度（相对湿度）不高于40%，从而防止表面积大的钛粉因吸收或吸附水分而造成钛粉的表面氧化，较好的保证产品质量。

附图说明

图1为本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

第一实施方式

请参考附图1，附图1为本发明所提供的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，包括：S1，切割步骤，切割钛残靶成钛样块；S2，酸洗步骤，酸洗所述钛样块；S3，氢化步骤，氢化所述钛样块形成氢化钛样块；S4，成粉步骤，破碎分解所述氢化钛样块成氢化钛粉；S5，脱氢步骤，加热去除所述氢化钛粉内的氢，得到高纯钛粉。具体如下：

S1，切割步骤：

切割前如果钛残靶（溅射后的靶材剩余部分）与背板相连，先分离钛残靶与背板，其中，可采用脱焊或是车削的方法进行上述分离。然后将钛残靶切割成钛样块，切割得到的钛样块厚度及其它各方向的尺寸不超过15mm，大小以能均匀放置在氢化炉内为准。为了保证氢气更多地接触钛样块表面，尽量将钛样块切割成表面积体积比较大的形状。

S2，酸洗步骤：

对切割后的钛样块进行酸洗，酸洗液一般可以采用稀盐酸，稀盐酸不易腐蚀所述钛样块，且能较好地去除钛样块表面粘附的异物及切割时沾染的油污等。稀盐酸酸洗完之后再用去离子水冲洗净钛样块上残余的酸液，然后进行干燥处理。

S3，氢化步骤：

将完成酸洗步骤后的钛样块放置在氢化炉内，放置时各钛样块之间保持空隙，以便氢气流通，使得钛样块更充分地与氢气接触。并抽真空至1.0~2.5×10^-2Pa。之后，通入纯度大于99.995%的氢气，使钛样块置于氢气保护环境中。

在氢气气氛条件下逐步升高温度，实现钛样块与氢气的反应，适宜氢化温度为350~680℃，氢化时间为1~30小时。氢化时间以氢化炉的产能和钛样块的多少综合考虑，例如当氢化60kg的钛残靶时，氢化时间为1~8小时。在具体实施时，可以将氢化温度设置在350~380℃，以减小能耗。

S4，成粉步骤：

氢化后的钛样块变成容易破碎的氢化钛样块，可以采用球磨造粒、气流粉碎等机械方法将所述氢化钛样块加工成粉。

在具体实施时，将氢化钛样块进行球磨。球磨大约需要8~10小时，球磨机的球磨筒内衬板为纯度大于99.995%纯钛板，球磨机使用的滚研球是纯度大于99.995%纯钛的纯钛，以避免其它金属杂质污染。球磨时，球磨筒内腔必须抽成真空，比如真空度达到1.0~2.5×10^－2Pa，然后再冲入高纯度氩气进行保护，以避免氢化钛粉氧化。

S5，脱氢步骤：

将氢化钛粉放入真空度达到1.0~2.5×10^-2Pa的氢化炉内，加热到500~800℃的高温，氢化钛发生分解反应释放其内的氢，生成高纯钛粉。在脱氢过程中，可以开启真空泵，将释放的氢排出。

上述生成的高纯钛粉的颗粒直径可达到20~1000um之间，当需要颗粒直径更小的高纯钛粉时，需要对上述生成的高纯钛粉再进行破碎过筛。随着颗粒直径减小，高纯钛粉的活性急剧升高，如果没有采取保护措施，极易导致钛粉发生氧化，严重的引发高纯钛粉自燃，甚至发生爆炸。因而在破碎过筛过程中要随时通氩气进行保护。

第二实施方式

与前面实施方式的不同之处仅在于：为防止杂质气体特别是氧气对钛粉纯度的影响，第二实施方式在氢化步骤和脱氢步骤中利用降氧剂吸收原料和设备中的杂质气体，并在生产钛粉过程中实行全程空气湿度的控制使得湿度（相对湿度）不高于40%。

前面所述的氢化过程中，由于氢气中含有一定量的氧气、水，在高温下这些氧气和水与钛化合生成氧化钛，使产品中的氧升高，从而影响了产品的质量，所以必须除去氢气中的氧。氢气在进行了净化后，氢气中的氧浓度有所降低，但仍然含有一定量的氧不能完全清除。在氢化时加入降氧剂，目的是在高温下使氧先与降氧剂发生化学反应，保护钛不被氧化，从而降低了钛粉中的氧含量。

在氢化钛粉脱氢时，在高温和高真空度条件下，设备（如氢化炉）中残留的空气中含有一定量的氧气；其次是脱氢时间较长，在数小时的脱氢中，任何真空设备都具有一定渗气现象，渗入的空气也可以把钛氧化。因而本实施方式中在脱氢过程中加入降氧剂，设备中残留的空气和渗入的空气与降氧剂发生化学反应，从而使得钛不被氧化。

在氢化和脱氢工序中采用不同的降氧剂，且脱氢工序中降氧剂比氢化时降氧剂活泼；氢化时降氧剂装在氢化炉口位置使氢化时氢气先经过降氧剂，再对钛样块进行氢化；脱氢工序中降氧剂在氢化钛装入炉内前先装入炉内以产生还原气氛，防止后续钛被氧化并起到脱氧的效果。

本实施例中采用的降氧剂为活泼性不低于金属钛的金属或合金。氢化工序降氧剂其形状为片状或粒状，且其熔点要高于800℃度。脱氢工序降氧剂其形状为片状或粒状，且其熔点要低于1200℃度。氢化工序降氧剂是钛或者钛合金或其他具有较强还原性合金。脱氢工序降氧剂是铝或镁或镁铝合金，或具有强还原性，能在650℃度以上在真空中形成气态的金属或合金。

钛粉生产是在空气中进行的，空气中湿度在发生变化；湿度较高时，空气中的水分易被表面积大的钛粉吸收或吸附，造成钛粉的表面氧化。因而在生产进程中对空气湿度加以控制，使钛粉生产在全程湿度控制下完成，可以较好的保证产品质量。本实施例中采用湿度控制系统，要求全程湿度控制在相对湿度低于40%的水平。

以上所述仅为本发明的具体实施例，目的是为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

切割步骤，切割钛残靶成钛样块；

酸洗步骤，酸洗所述钛样块；

氢化步骤，氢化所述钛样块形成氢化钛样块；

成粉步骤，破碎所述氢化钛样块成氢化钛粉；

脱氢步骤，加热去除所述氢化钛粉内的氢，得到高纯钛粉。

2.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述切割步骤前，将钛残靶和背板分离。

3.如权利要求2所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述将钛残靶和背板分离系采用脱焊或者车削的方法分离。

4.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述切割步骤中，将钛残靶切割成厚度小于等于15mm的钛样块。

5.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述酸洗步骤中，先采用稀盐酸进行酸洗，再用去离子水冲洗干净后进行干燥。

6.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述氢化步骤中，将所述钛样块均匀放置于氢化炉内，放置时各所述钛样块之间保持空隙。

7.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述氢化步骤中，在氢气气氛条件下逐步升高温度，实现所述钛样块与所述氢气的反应。

8.如权利要求1或7所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述氢化步骤中，氢化温度在350~680℃范围，氢化时间为1~30小时。

9.如权利要求1或7所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，所述脱氢步骤中，所述氢化钛粉在真空条件和500~800℃的高温条件下进行分解反应，生成所述高纯钛粉。

10.如权利要求9所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，将所述高纯钛粉在氩气保护环境中进一步进行破碎过筛，以达到所需的粒度和形状。

11.如权利要求1所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，在所述氢化步骤和脱氢步骤中，利用降氧剂吸收原料和设备中的杂质气体。

12.如权利要求1或11所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，在制备高纯钛粉过程中实行全程空气湿度的控制使得相对湿度低于40%。

13.如权利要求11所述的利用钛残靶制备高纯钛粉的方法，其特征在于，在氢化步骤和脱氢步骤中采用不同的降氧剂，且脱氢步骤中降氧剂比氢化步骤中降氧剂活泼。