本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法。
背景技术：
氮化钛（tin）是一种新型的多功能金属陶瓷材料，它的熔点高、硬度大、耐酸碱、耐腐蚀、摩擦系数小，是热和电的良导体。通常用作钛合金，钢，硬质合金和铝结构的涂层以改善表面性质。作为薄涂层，氮化钛用于硬化、保护切割和滑动表面，也可用于装饰目的，亦作为一种无毒的外部医疗植入物。
传统的氮化钛粉末制备方法，如金属钛粉氮化法、二氧化钛碳热还原氮化法、气相法等得到的粉末形状不规则，流动性较差，使用性能大打折扣，而且氮化率不高，氮化时间较长，粒径范围较宽，能源消耗大。目前，还没有行之有效，涵盖以上问题的解决方法。与非球形的氮化钛粉末相比，球形氮化钛的机械性能在各个方向都是一样的，在粉末冶金和3d打印中更容易获得性能优异的产品。
申请专利cn201810089385.1提供了一种使用射频等离子法制备球形氮化钛粉的方法。该方法使用非球形的钛粉为原料，通过粉末在等离子高温区熔化及与n2反应，进而生成球形氮化钛。该方法中使用原料为非球形钛粉，当非球形钛粉粒度小于300目时，一方面，粉末比表面积加大，使得原材料氧含量增高，进而球化所得氮化钛粉末中氧含量偏高；另一方面，粉末流动性很差，送粉及分散困难，对连续制备生产造成困难。
随着增材制造（3d打印）、注射成型、热喷涂等技术的蓬勃发展，高质量的球形氮化钛粉是这些领域所必须的重要原料，粉末生产在整个产品生产流程中关系重大，其粉末原料品质更是其最终产品质量的重要保障。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明期望提供一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，能够解决上述现有技术问题，实现钛与n2的高温化学反应，制备出高纯度的氮化钛球形粉末。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，包括如下步骤：
a)将原料纯钛丝材进行除氧化层处理，具体为将原料纯钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中30~60℃下超声波清洗5~30分钟，烘干后备用；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-1~10-3pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为-50kpa~ 50kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述除氧化层处理后的钛丝材预热到500~1000℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1000~1400℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间1~10h，即得氮化钛球形粉末。
进一步地，步骤c)中所述射频等离子调制与稳定：使用射频等离子功率30~80kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为20~40l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为200~350l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量20~30l/min，边气流量200~300l/min，待n2等离子体稳定后，进行后序步骤熔炼及雾化。
优选地，步骤e)中所述初步球形氮化钛粉在1200℃的气氛炉中深度氮化。
本发明有益效果如下：1）本发明使用高纯度的钛丝材而不是钛粉末为原料，减少来自粉末原料对吸附气体及水分等的携带，避免了单用射频等离子技术送粉料制粉的原料纯度及粒度限制，可以获得氧含量较低的高纯度的球形氮化钛粉；2）本发明通过采用感应加热与射频等离子及气雾化相结合的技术，整个加热、熔化氮化、气雾化过程在n2为反应气体及n2为保护气氛下、无其它气体污染、无电极污染；3）本发明使用n2为等离子气体，提高了等离子体热焓值，提高了熔化既生产效率；4）本发明通过两步合成工艺法（等离子反应球化 深度氮化），深度氮化球形氮化钛粉末，提高了球形氮化钛粉末的含氮量。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氮化钛粉；
图2为本发明实施例2制备的氮化钛粉；
图3为本发明实施例3制备的氮化钛粉。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图对本发明的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。
本发明一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，包括如下步骤：
a)将原料纯钛丝材进行除氧化层处理，具体为将原料纯钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中30~60℃下超声波清洗5~30分钟，烘干后备用；
这里，上述将钛丝材进行除氧化层处理，使用高纯度的钛丝材而不是钛粉末为原料，减少来自粉末原料对吸附气体及水分等的携带，避免了单用射频等离子技术送粉料制粉的原料纯度及粒度限制，可以获得氧含量较低的高纯度的球形氮化钛粉末；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-1~10-3pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为-50kpa~ 50kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述钛丝材预热到500~1000℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
上述射频等离子调制与稳定：优选使用射频等离子功率30~80kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为20~40l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为200~350l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量20~30l/min，边气流量200~300l/min，待n2等离子体稳定后，可进行后序步骤熔炼及雾化；
这里，通过高频感应加热预热钛丝材与射频等离子熔化相结合的技术，解决了钛丝材在单纯的感应熔炼或等离子熔炼过程中吸热速率受限，导致产量低的问题，增加了单位时间的产出率；在射频等离子熔化过程中，提高了氮化钛液流或液滴的过热度；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
这里，使用气雾化喷嘴对经过射频等离子融化的氮化钛液滴进行雾化，解决了单独使用射频等离子灯炬熔化钛丝材原料，不能获得微细球形粉末的问题，可以得到高质量的微细球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1000~1400℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间1~10h，即得氮化钛球形粉末。
本发明使用n2为等离子气体，提高了等离子体热焓值，提高了熔化既生产效率，通过等离子反应球化和深度氮化工艺，深度氮化球形氮化钛粉末，提高了球形氮化钛粉末的含氮量。
实施1
a)将钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中50℃下超声波清洗20分钟，烘干后备用；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-1pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为 50kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述钛丝材预热到500℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
上述射频等离子调制与稳定：使用射频等离子功率50kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为30l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为250l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量20l/min，边气流量200l/min，待n2等离子体稳定后，进行后序步骤熔炼及雾化；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1200℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间5h，即得氮化钛球形粉末，如图1所示。
实施2
a)将钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中30℃下超声波清洗30分钟，烘干后备用；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-2pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为10kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述钛丝材预热到1000℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
上述射频等离子调制与稳定：使用射频等离子功率60kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为35l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为300l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量25l/min，边气流量250l/min，待n2等离子体稳定后，进行后序步骤熔炼及雾化；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1300℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间6h，即得氮化钛球形粉末，如图2所示。
实施3
a)将钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中60℃下超声波清洗10分钟，烘干后备用；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-3pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为-10kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述钛丝材预热到800℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
上述射频等离子调制与稳定：使用射频等离子功率40kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为25l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为300l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量20l/min，边气流量300l/min，待n2等离子体稳定后，进行后序步骤熔炼及雾化；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1200℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间8h，即得氮化钛球形粉末，如图3所示。
以上所涉及器件的具体型号不作限制及详细描述，以上所涉及器件的深入连接方式不作详细描述，作为公知常识，本领域的技术人员能够理解。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将原料纯钛丝材进行除氧化层处理，具体为将原料纯钛丝材放入氟化氢与硝酸为1:5的溶液中30~60℃下超声波清洗5~30分钟，烘干后备用；
b)在制粉前先将雾化反应室抽真空至10-1~10-3pa，再充入n2活性气体建立保护气氛，将雾化反应室压力调整为-50kpa~ 50kpa；
c)通过高频感应加热设备使所述除氧化层处理后的钛丝材预热到500~1000℃；再通过射频等离子设备中射频等离子灯炬产生的高温n2等离子体将所述预热的钛丝材融化为连续的液流或液滴，同时，活性极高的n2等离子体会与所述液流或液滴迅速反应生成氮化钛液滴；
d)所述氮化钛液滴进入雾化反应室，通过雾化喷嘴将氮化钛液滴击碎雾化为微细液滴，同时在步骤c)中未反应完全的氮化钛微细液滴会与n2继续反应，所述微细液滴在液体表面张力的作用下凝聚成球状，并在随后的冷却过程中凝固保持形状，即得到初步球形氮化钛粉；
e)将得到的所述初步球形氮化钛粉在1000~1400℃的气氛炉中深度氮化，氮化时间1~10h，即得氮化钛球形粉末。
2.根据权利要求1所述的一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，其特征在于，步骤c)中所述射频等离子调制与稳定：使用射频等离子功率30~80kw，等离子的稳定分两步，第一步，使用氩气为主气引燃等离子体，流量为20~40l/min，氩气为边气冷却和压缩等离子体，流量为200~350l/min；第二步，待等离子稳定后，分别将主气和边气切换为n2，主气流量20~30l/min，边气流量200~300l/min，待n2等离子体稳定后，进行后序步骤熔炼及雾化。
3.根据权利要求1所述的一种反应雾化法制备球形氮化钛粉的方法，其特征在于，步骤e)中所述初步球形氮化钛粉在1200℃的气氛炉中深度氮化。
技术总结