反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法.pdf

本发明涉及一种反应等离子喷涂纳米晶氮化物粉末的方法，其主要步骤是：钛粉装入送粉器，送入混合离子气体、向反应室中通氮气；送钛粉粉末进入焰流，向盛水的容器中喷涂、收集；所说的混合离子气体包括氮气、氩气和氢气.其组成为：氩气：0.05～0.065m3/h；氮气：0.016～0.050m3/h；氢气：0.02～0.07m3/h；所说的喷涂形成纳米晶氮化钛粉末的工艺参数为：送粉气流量：0.5m3/h；电弧功率：35～42KW；喷枪距离：15～40mm；氮气反应气气流量为：1.5～2.5m3/h。本发明工艺简单，成本低，有效地克服了纳米晶氮化物粉末制备的困难以及解决了制备高熔点纳米晶陶瓷粉末的难题，特别适宜于制备高熔点纳米晶氮化物陶瓷粉末喷涂工艺。

权利要求书
1、  一种反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法，其特征在于：该方法包括的主要步骤是：钛粉装入送粉器，送入混合离子气体、向反应室中通氮气，送钛粉粉末进入焰流，向盛水的容器中喷涂和收集；
所说的混合离子气体包括氮气、氩气和氢气，其组成为：氩气：0.05～0.065m3/h；氮气：0.016～0.050m3/h；氢气：0.02～0.07m3/h；
所说的喷涂形成纳米晶氮化钛粉末的工艺参数如下：
送粉气流量：0.5m3/h
电弧功率：32～45KW
喷枪距离：10～40mm
氮气气流量为：1.0～3.5m3/h。

2、  根据权利要求1所说的反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法，其特征在于所说的钛粉的粒度为200～300目。

3、  根据权利要求1所说的反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法，其特征在于所说的纳米晶氮化钛粉末颗粒直径30-100nm。

说明书反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法
技术领域
本发明属于具有纳米结构粉末制备技术，特别涉及一种反应等离子喷涂纳米晶氮化物粉末的制备方法。
背景技术
氮化物不仅具有一般陶瓷固有的优异性能，还表现出韧性好、导电、导热等金属特性，因其特殊的性能，越来越被人们所关注。
目前，国际上制备纳米粉末的方法比较多，按物质的聚集状态可分为气相法、液相法和固相法；固相法是利用机械能等方法将粗颗粒粉碎成细粉，缺点是粉末纯度低、易掺入杂质、制备困难、粉末粒度不均。液相法是指在溶液中，反应物中的分子、原子或离子发生化学反应合成一种新的物质，除去溶剂后得到超细粉末的方法，其缺点是粉末容易聚集成大颗粒。气相法是指反应物在高温气相条件下合成所需要的产物，产物经急速冷却后形成纳米粉末的方法，缺点是成本大、效率低。
在国外，印度的N.N.Ghosh等用熔胶-凝胶法(Synthesis of nano-sized ceramic powdersusing precipitated silica in aqueous sol-gel method，Nanostructured MaterialVol.8，No.8 1997)制备了纳米尺寸复合硅酸盐陶瓷粉末：在国内，主要采用直流电弧等离子体制备TiN粉末(曹立宏等 直流电弧等离子体制备TiN纳米粉末的研究 硅酸盐学报Vol.25，No.1 1997)。这些制备方法工艺复杂。
发明内容
本发明目的在于提供一种新的反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法。本发明采用反应等离子喷涂的方法制备高熔点、高硬度、良好的化学稳定性、良好的强韧性、较高的红硬性的纳米晶氮化物粉末。本发明实现了用低功率的等离子喷涂设备，采用微米级金属粉末，制备高熔点的陶瓷粉末，解决了用直流电弧等离子体制备TiN粉末设备复杂，沉积效率低的难题。本发明是一种工艺简单、成本低的制备纳米晶氮化物粉末的新方法。
本发明反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法包括的主要步骤：钛粉装入送粉器，送入混合离子气体、向反应室中通氮气；送钛粉粉末进入焰流，向盛水的容器中喷涂、收集。
所说的混合离子气体包括氮气、氩气和氢气，其组成为：氩气：0.05～0.065m3/h；氮气：0.016～0.050m3/h；氢气：0.02～0.07m3/h；
所说的喷涂形成纳米晶氮化钛粉末的工艺参数如下：
送粉气流量：0.5m3/h
电弧功率：32～45KW
喷枪距离：15～40mm
氮气气流量为：1.0～3.5m3/h
本发明所说的氮气是高纯度氮气(99.9％)，所说的喷涂钛粉的粒度为200～300目，所说的喷涂纳米晶氮化钛粉末颗粒直径30-100nm。
本发明适合于制备Ti、Al、Mg、Ca、In、Gr、Ga、W和Mo等金属的氮化物粉末。
本发明以微米级金属粉末料为原料，采用常规等离子喷涂方法制备纳米晶氮化物粉末材料，解决了用直流电弧等离子体制备TiN粉末设备复杂，沉积效率低的难题。本发明为制备纳米晶粉末材料开辟了新途径，方法简单，成本低。
附图说明
图1本发明制备氮化钛粉末的流程图。
图2实施例1中TiN粉的x-射线衍射图谱。
图3实施例1中TiN粉的扫描电镜照片。
图4实施例1中TiN粉的透射电镜照片及选区电子衍射花样。
图5实施例2中TiN粉的x-射线衍射图谱。
图6实施例2中TiN粉的扫描电镜照片。
图7是实施例2中TiN粉透射电镜照片。
图8实施例3中TiN粉的x-射线衍射图谱。
图9实施例3中TiN粉透射电镜照片。
图10反应等离子喷枪反应室的剖面结构示意图。
图11.反应等离子喷枪反应室的侧视图
具体实施方式
实施例1
如图1所示，按下列顺序喷制TiN粉末：
(1)接通喷涂设备控制柜电源；喷涂设备系九江喷涂设备厂生产；
(2)在普通BT-G3型喷枪前安装反应室(BT-G3型喷枪系北京熵科尔公司生产，反应室结构见申请人的同日申请，名称为：反应等离子喷涂反应室装置，其结构为等离子喷枪与反应室构成；反应室与等离子喷枪连接。反应室由内套1、外套2、进水管3、出水管4、进气管5和送粉孔6构成。内套和外套管焊接在一起构成反应室的主体结构，内套和外套管间的空间及进水管和出水管组成反应室的冷却部分，出水管和进水管焊在反应室的外套上，靠冷却水的快速流动带走一定的热量，冷却反应室。进气管连接反应室的内套，与反应室的内套和外套焊接在一起，见图10、图11)。
(3)将500g，300目的钛粉装入送粉器；送粉器系北京熵科尔公司生产；
(4)送氮气、氩气、氢气，气流量分别为：0.055m3/h、0.035m3/h、0.030m3/h；向反应室中通氮气，气流量为2.0m3/h；
(5)通喷枪电源，调整气流量，控制电弧功率为35KW，喷枪距离为40mm，送粉气流量为0.5m3/h，向盛水的容器中喷涂、收集，制备TiN粉末。
经试验检测：
(1)TiN涂层的成分、组织、结构
图2是TiN粉的x-射线衍射图谱。粉末中主要包含TiN相，以及极少量的Ti3O相。TiN相呈现出强烈的(200)、(111)及(220)取向，(311)及(222)取向相对较弱，表明TiN沿密排晶面择优生长的趋势并不明显。
图3是等离子喷涂TiN粉的扫描电镜照片，TiN粉末呈球形，颗粒尺寸细小，由于颗粒之间的吸附作用而团聚在一起，形成直径1μm左右的团聚体，颗粒直径约为30nm。
图4是TiN粉的透射电镜照片形貌及选区电子衍射花样，选区电子衍射花样是以透射斑为圆心的明锐的同心德拜环，表明了纳米颗粒的存在；衍射花样中还夹杂着一些微弱的衍射斑点，是由其中个别直径相对较大的颗粒衍射引起地；由衍射花样中内侧的宽化的德拜环由非晶散射产生的。
实施例2
制备流程与实施例1相同
(1)接通喷涂设备控制柜电源；喷涂设备系九江喷涂设备厂生产；
(2)在普通BT-G3型喷枪前安装反应室(BT-G3型喷枪系北京熵科尔公司生产，反应室结构见申请人的同日申请，名称为：反应等离子喷涂反应室装置)；
(3)将500g，300目的钛粉装入送粉器；送粉器系北京熵科尔公司生产；
(4)送氮气、氩气、氢气，气流量分别为、氮气0.05m3/h、0.03m3/h、0.047m3/h；向反应室中通氮气，气流量为2.5m3/h；
(5)通喷枪电源，调整气流量，控制电弧功率为35KW，喷枪距离为40mm，送粉气流量为0.5m3/h，向盛水的容器中喷涂、收集，制备TiN粉末。
TiN粉末的成分、组织、结构
图5是TiN粉的x-射线衍射图谱。粉末主要由TiN、Ti6O两种物相构成，其中前者所占比例较大。由于TiN在高温下不稳定，容易被氧化，因此Ti6O可能来自于喷涂过程中等离子焰流中氧化的TiN。由于等离子焰流温度很高，而且所制备的粉末粒径非常细小，因此粉末表层氧化可能比较严重。
图6是中TiN粉的扫描电镜照片，图7是TiN粉透射电镜照片。粉末呈球形，颗粒尺寸细小，由于颗粒之间的吸附作用，在扫描电镜下观察，团聚在一起，形成直径2μm左右的团聚体，颗粒直径约为40nm。透射电镜下观察，粉末为50nm以下的颗粒。说明此工艺可制备纳米级的TiN粉末。
实施例3
制备流程与实施例1相同
按下列顺序喷制氮化钛粉末
(1)接通喷涂设备控制柜电源；喷涂设备系九江喷涂设备厂生产；
(2)在普通BT-G3型喷枪前安装反应室(BT-G3型喷枪系北京熵科尔公司生产，反应室结构见申请人的同日申请，名称为：反应等离子喷涂反应室装置)；
(3)将500g，300目的钛粉装入送粉器；送粉器系北京熵科尔公司生产；
(4)送氮气、氩气、氢气，气流量分别为0.045m3/h、0.04m3/h、0.035m3/h；向反应室中通氮气，气流量为2.5m3/h；
(5)通喷枪电源，调整气流量，控制电弧功率为35KW，喷枪距离为40mm，送粉气流量为0.5m3/h，向盛水的容器中喷涂、收集，制备TiN粉末。
TiN粉末的显微组织、结构、成分分析
图8实施例3中TiN粉的x-射线衍射图谱。粉末中主要是TiN，还存在少量的钛的氧化物，由于TiN在高温下不稳定，容易被氧化，因此钛的氧化物可能来自于喷涂过程中等离子焰流中氧化的TiN。
图9实施例3中透射电镜照片。由透射电镜照片可知，粉末的粒度在50nm一下，说明该工艺可得到纳米级的氮化物粉末。