Proces s rotačními plazmovými elektrodami

The plazmový proces s rotujícími elektrodami (PREP) je pokročilá technologie zpracování materiálů, která využívá plazmový oblouk a odstředivé síly k výrobě vysoce výkonných materiálů. Tato inovativní metoda kombinuje výhody tavení plazmovým obloukem a odstředivého lití, což umožňuje výrobu materiálů s vynikajícími vlastnostmi ve srovnání s běžnými způsoby zpracování.

Přehled procesu s rotačními plazmovými elektrodami

Při plazmovém procesu s rotující elektrodou se používá rotující grafitová elektroda, která je obklopena plazmovým obloukem. Při otáčení elektrody se materiál vstupní suroviny neustále taví v plazmovém oblouku a vlivem odstředivých sil je odlétáván z hrotu elektrody. Roztavený materiál tuhne a shromažďuje se, čímž vzniká hotový díl nebo ingot.

Mezi hlavní výhody technologie PREP patří:

• Rychlé tání a tuhnutí, které umožňují zjemnění mikrostruktury.
• Výroba slitin, které je obtížné nebo nemožné vyrobit běžnými metodami.
• Schopnost zpracovávat reaktivní materiály bez kontaminace
• Legování na místě a řízení mikrostruktury
• Možnost téměř čistého tvaru, minimalizace obrábění

V porovnání s jinými metodami plazmového tavení poskytuje rotační elektroda dodatečnou kontrolu nad tepelnými podmínkami během zpracování. To umožňuje přizpůsobit podmínky tuhnutí tak, aby se optimalizovala mikrostruktura a vlastnosti hotového materiálu.

Plazmový zdroj poskytuje extrémně vysoké teploty přesahující 10 000 °C, což umožňuje tavení jakéhokoli materiálu. Nastavením výkonu plazmatu a dalších parametrů lze přesně řídit tepelné podmínky. To umožňuje flexibilitu při navrhování slitin a podmínek zpracování.

technologie plazmového rotačního elektrodového procesu (PREP) pro aplikace 3D tisku:

Slitiny titanu

• Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb - Vynikající poměr pevnosti a hmotnosti a biokompatibilita
• Velmi jemné prášky s kontrolovanou distribucí velikosti částic

Slitiny hliníku

• AlSi 10Mg, AlSi12 - nízká hustota s dobrou pevností a odolností proti korozi
• Sférická morfologie s vysokou tekutostí prášku

Niklové superslitiny

• Inconel 718, Inconel 625 - vynikající vysokoteplotní vlastnosti
• Husté 3D tištěné díly s jemnou mikrostrukturou

Nástrojové oceli

• H13, P20, 420 nerez - vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení a korozi
• Možnost zpracování složitých geometrií součástí forem a zápustek

Žáruvzdorné slitiny

• Wolfram, tantal, molybden - Extrémně vysoké teploty tání
• Prášky s vysokou hustotou vhodné pro radiační stínění

Slitiny mědi

• CuCrZr, CuNi2SiCr - Vynikající tepelná a elektrická vodivost
• Používá se pro aplikace tepelného managementu

Kobalt-chromové slitiny

• CoCrMo, CoCrW - biokompatibilita a vysoká pevnost
• Nízká vnitřní pórovitost s optimalizovanými parametry

Sférické prášky vyrobené pomocí PREP umožňují tisknout 3D díly s vysokou hustotou a vynikajícími mechanickými vlastnostmi, které jsou vhodné pro náročné aplikace v letectví, zdravotnictví, nástrojářství a dalších oborech.

Systém slitin	Příklad slitin	Klíčové vlastnosti	Aplikace
Slitiny titanu	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb	Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, biokompatibilita	Letectví a kosmonautika, zdravotnictví
Slitiny hliníku	AlSi10Mg, AlSi12	Nízká hustota, dobrá pevnost a odolnost proti korozi	Automobilový průmysl, spotřební zboží
Niklové superslitiny	Inconel 718, Inconel 625	Vynikající vysokoteplotní vlastnosti	Lopatky turbín, trysky raket
Nástrojové oceli	H13, P20, 420 nerez	Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení a korozi	Vstřikovací formy, zápustky
Žáruvzdorné slitiny	Wolfram, tantal, molybden	Extrémně vysoké body tání	Radiační stínění, vysokoteplotní díly pecí
Slitiny mědi	CuCrZr, CuNi2SiCr	Vysoká tepelná a elektrická vodivost	Chlazení elektroniky, konektory
Kobalt-chromové slitiny	CoCrMo, CoCrW	Biokompatibilita, vysoká pevnost	Lékařské implantáty, zubní korunky

Zařízení používaná při zpracování rotačních plazmových elektrod

Mezi hlavní komponenty používané v procesu plazmové rotační elektrody patří:

Plazmové hořáky

• Obvykle přenášené obloukové hořáky o výkonu 10-100 kW.
• poskytuje vysokoteplotní plazmový oblouk k roztavení vstupního materiálu.
• Lze použít různé plazmové plyny - argon, dusík, vodík, helium.

Rotační elektroda

• Obvykle se vyrábí z grafitu kvůli vysokým teplotám.
• Průměr a délka závisí na velikosti dílu
• Otáčí se rychlostí až 3000 otáček za minutu.
• Vodní chlazení pro vysokou tepelnou zátěž

Plíseň

• Grafitová nebo měděná forma pro tvarování nanášeného materiálu.
• Chlazení vodou pro rychlé ztuhnutí roztaveného materiálu.
• Odstředivé síly vrhají materiál na stěny formy.

Napájecí zdroje

• stejnosměrný napájecí zdroj pro provoz plazmového hořáku
• Lze provozovat v režimu horké nebo studené katody
• Proudy v rozmezí 100-1000 A v závislosti na plazmovém hořáku.

Vakuová komora

• Poskytuje řízenou atmosféru pro plazmový oblouk
• Vakuové prostředí nebo prostředí inertního plynu

Řídicí systém

• Počítačové řízení parametrů plazmy
• Rychlost otáčení
• Rychlost podávání materiálu
• Automatizovaná výroba

Jak funguje proces s rotačními plazmovými elektrodami

Plazmový proces s rotační elektrodou kombinuje odstředivé lití a tavení plazmovým obloukem do jednoho integrovaného systému. Zde je přehled, jak PREP funguje:

1. Vkládání surovin - Elektroda se otáčí vysokou rychlostí až 3000 otáček za minutu. Vstupní materiál, jako je prášek ze slitiny, se vstřikuje do roztavené lázně na rotujícím hrotu elektrody.
2. Tání - Plazmový oblouk z okolních plazmových hořáků taví vloženou surovinu a oblasti povrchu rotující elektrody. Teploty přesahují 10 000 °C a zajišťují rychlé tavení.
3. Vyhazování roztaveného materiálu - Odstředivé síly vznikající při rychlé rotaci způsobují odlétávání roztaveného materiálu z hrotu elektrody. Vznikají tak kapičky, které se pohybují směrem ven.
4. Tvorba ložisek - Vystříknutý roztavený materiál dopadá na vodou chlazenou měděnou formu umístěnou kolem elektrody. Kapky rychle tuhnou a postupně vytvářejí usazeninu.
5. Tuhnutí na míru - Vysoká rychlost přenosu tepla, kterou forma zajišťuje, umožňuje řízené směrové tuhnutí. To umožňuje optimalizovat strukturu usazeniny.
6. Sběr vkladů - Po úplném zformování se vytvarovaná usazenina z komory odstraní. Může se jednat o ingot, díl ve tvaru blížícím se čistému tvaru nebo jiný výrobek s jinou morfologií.
7. Automatizovaný provoz - Systém PREP je plně automatizovaný a řízený počítačem. Může běžet bez obsluhy a vytvářet značná množství materiálu.
8. Flexibilita parametrů - Proměnné, jako je výkon plazmatu, rychlost otáčení elektrod a rychlost posuvu materiálu, lze nastavit tak, aby se přizpůsobily vlastnosti usazeniny.

Jedinečné možnosti zpracování rotačních elektrod plazmou

Plazmový proces s rotační elektrodou poskytuje některé jedinečné možnosti, které jej odlišují od jiných metod zpracování materiálů:

Rychlá rychlost tuhnutí

• Je možné dosáhnout rychlosti tuhnutí přesahující 100 000 °C/s.
• Umožňuje vznik nerovnovážných fází a metastabilních struktur.
• Zpřesňuje velikost zrn až do nanorozměru.

Tvarování sítě

• Usazeniny lze tvarovat do tvaru blízkého čistému, což snižuje nároky na obrábění.
• Složité geometrie dílů lze vyrábět přímo
• Eliminuje další kroky zpracování

Zpracování reaktivních materiálů

• Uzavření plazmového oblouku umožňuje zpracovávat reaktivní materiály bez kontaminace.
• Vysoce reaktivní slitiny, jako jsou korundidy titanu, lze vyrábět.

Tepelná kontrola

• Rotační elektroda umožňuje dodatečnou kontrolu tepelných podmínek.
• Umožňuje přizpůsobení nerovnovážných rychlostí chlazení pro řízení mikrostruktury

Legování na místě

• Legující přísady lze do roztavené lázně přidávat během zpracování.
• Umožňuje flexibilitu při navrhování a výrobě nových slitin.

Čisté zpracovatelské prostředí

• Vakuová komora zajišťuje řízenou atmosféru
• Nejsou potřeba žádné kelímky, což snižuje možnou kontaminaci.

Systémy slitin zpracované pomocí PREP

Systém slitin	Popis
Hliníky titanu	Intermetalické slitiny na bázi Ti a Al s vysokoteplotními vlastnostmi
Hromadné kovové brýle	Amorfní slitiny s vysokou pevností a tvrdostí
Kompozity s kovovou matricí	Vyztuženo částicemi pro vysokou pevnost a tuhost
Superslitiny	Slitiny na bázi Ni, Fe nebo Co s vynikající odolností proti tečení.
Nástrojové oceli	Slitiny na bázi železa s vysokou tvrdostí a odolností proti opotřebení
Žáruvzdorné kovy	Kovy s velmi vysokou teplotou tání, jako je W, Mo, Nb, Ta.

Procesem plazmové rotační elektrody lze vyrábět širokou škálu systémů slitin, včetně:

Aluminidy titanu

• Intermetalické slitiny na bázi Ti a Al
• Vynikající vysokoteplotní vlastnosti s nízkou hustotou
• Používá se pro letecké a automobilové aplikace

Hromadné kovové brýle

• Amorfní slitiny s vynikající pevností a tvrdostí
• Vysoká rychlost chlazení umožňuje tvorbu kovového skla
• Vynikající technické materiály a nátěry

Kompozity s kovovou matricí

• vyztužené karbidy, oxidy nebo jinými částicemi
• Vynikající specifická pevnost a tuhost
• Používá se pro letecké, automobilové a polovodičové součástky.

Superslitiny

• Slitiny na bázi niklu, železa nebo kobaltu s vynikající odolností proti tečení.
• Používá se pro vysokoteplotní konstrukce v turbínách a motorech.

Nástrojové oceli

• Slitiny na bázi železa s vysokou tvrdostí a odolností proti opotřebení
• Používá se pro řezné nástroje, formy, zápustky a další aplikace.

Žáruvzdorné kovy

• Kovy s velmi vysokou teplotou tání, jako je wolfram, molybden, niob, tantal.
• Používá se pro aplikace při vysokých teplotách díky zachování pevnosti.

Zlepšení mikrostruktury a vlastností

Jednou z hlavních výhod PREP je schopnost vytvářet pokročilé mikrostruktury, které propůjčují lepší vlastnosti. Některé příklady zahrnují:

Zušlechťování zrn

• Lze vyrábět extrémně jemná zrna v nanorozměrech.
• Výsledkem je zvýšená pevnost podle vztahu Hall-Petch.

Rozšířená rozpustnost v pevné látce

• Zachycení rozpuštěné látky rychlým tuhnutím rozšiřuje rozpustnost v pevné fázi
• Mění chování slitin a umožňuje vytvářet nové kompozice.

Nerovnovážné fáze

• Metastabilní fáze lze uchovat při pokojové teplotě
• Zajišťuje zpevnění srážek a mění vlastnosti

Zpevnění částicemi

• Tvorba precipitátů a částic v nanorozměrech in-situ
• Vynikající zpevňovače a zjemňovače zrnitosti

Odstranění segregace

• Žádná chemická segregace v důsledku rychlého tuhnutí
• Zlepšuje homogenitu slitiny a odstraňuje vady

Vylepšená rozhraní

• Rychlé tuhnutí umožňuje rozhraní bez kontaminantů
• Zpevňuje hranice zrn a mezifázová rozhraní.

Výhody zpracování rotačními plazmovými elektrodami

Mezi hlavní výhody technologie PREP patří:

• Všestrannost - Schopnost zpracovávat prakticky všechny systémy slitin
• Vynikající mikrostruktury - Dosahuje výrazného zjemnění zrn a mikrolegování
• Tvar blízký síti - Složité geometrie lze vyrábět přímo
• Účinnost - Automatizovaný provoz bez obsluhy s vysokou produktivitou
• Kvalita - Zajišťuje čisté prostředí pro zpracování a eliminuje vady.
• Výkon - Vyrábí slitiny s vynikajícími mechanickými vlastnostmi
• Nové slitiny - Umožňuje vývoj jedinečných metastabilních složení
• Nákladová efektivita - Snižuje odpad surovin a nároky na obrábění

Ve srovnání s jinými metodami zpracování umožňuje PREP nové možnosti vývoje slitin a optimalizace vlastností materiálů.

Použití slitin vyrobených pomocí PREP

Slitiny vyrobené procesem plazmové rotační elektrody našly uplatnění v celé řadě náročných aplikací:

Letecké komponenty

• Turbínových lopatek, disků a krytů z niklových a titanových slitin.
• Vyžaduje vysokou pevnost a odolnost proti tečení při zvýšených teplotách.

Řezné nástroje

• Vrtáky, stopkové frézy, pilové kotouče ze slitin nástrojových ocelí
• Musí odolávat opotřebení, nárazům a teplu při obrábění.

Biomedicínské implantáty

• Slitiny titanu nebo nerezové oceli pro ortopedické implantáty
• Vynikající odolnost proti korozi a biokompatibilita

Automobilové díly

• Součásti motoru, hnací ústrojí ze slitin hliníku, hořčíku a titanu.
• Odlehčení a výkon v extrémních podmínkách

Sportovní zboží

• Golfové hole, jízdní kola a špičkové vybavení z moderních slitin
• Požadovaný vysoký poměr pevnosti a hmotnosti

Elektronika

• Chladiče vyřezávané z beryliových kompozitů
• Vyžaduje schopnost tepelné správy

Jaderné aplikace

• Vyztužené materiály používané v jaderných reaktorech
• Musí si zachovat výkonnost při ozařování

Použití slitin vyrobených pomocí PREP

Průmysl	aplikace
Aerospace	Součásti turbíny
Řezné nástroje	Vrtáky, pilové kotouče
Biomedicína	Implantáty
Automobilový průmysl	Díly motoru a hnacího ústrojí
Sportovní zboží	Kluby, jízdní kola, vybavení
Elektronika	Chladiče
Jaderné	Komponenty pro reaktory

Současný výzkum v oblasti zpracování rotačních plazmových elektrod

V současné době probíhá řada výzkumů, jejichž cílem je další rozvoj technologie PREP:

• Modelování složitých interakcí mezi plazmatem a materiálem
• Začlenění nových a recyklovaných materiálů jako vstupní suroviny
• Konfigurace s více elektrodami pro výrobu velkých dílů
• Hybridní procesy PREP v kombinaci s aditivní výrobou
• Vývoj nové diagnostiky měření
• Spojování různorodých slitin za účelem vytvoření kompozitů s kovovou matricí
• Zkoumání výztuže z uhlíkových nanotrubiček
• Ekonomické analýzy a analýzy životního cyklu procesu

Pokračující výzkum umožní další zdokonalování procesů, širší škálu slitin a nové aplikace. Vládní agentury a soukromé společnosti aktivně investují do rozvoje zpracování plazmových rotačních elektrod.

Budoucí výhled pro technologii PREP

Proces plazmové rotační elektrody představuje inovativní skok v technologii zpracování materiálů. Pokračující vývoj a jeho přijetí průmyslem umožní výrobu nové generace vysoce výkonných slitin.

Několik trendů naznačuje, že PREP čeká světlá budoucnost:

• Poptávka po specializovaných pokročilých slitinách v různých průmyslových odvětvích roste. PREP umožňuje vytvářet slitiny, kterých nelze dosáhnout běžnými metodami.
• Čistý tvar a aditivní výroba se stále více využívají. PREP má téměř čisté tvarové schopnosti, které překonávají ostatní metody ve flexibilitě a kvalitě slitin.
• Vysoce výkonná automatizovaná výroba je pro konkurenceschopnost nezbytná. PREP dosahuje automatizovaného provozu bez použití rukou s vysokou produktivitou.
• Požadavky na kvalitu kritických součástí se zpřísňují. PREP nabízí vysoce přesné, čisté a kontrolované zpracovatelské prostředí.
• Slitiny se zdokonalenou konstrukční mikrostrukturou mají výjimečné vlastnosti. PREP odemyká metastabilní struktury s jedinečnými vlastnostmi.

Díky těmto faktorům je PREP připraven stát se základní technologií pro výrobu slitin nové generace v mnoha odvětvích. V této vzrušující oblasti se očekává další rychlý růst.

Často kladené otázky o zpracování rotačních elektrod plazmou:

Zde je několik nejčastějších otázek týkajících se procesu plazmové rotační elektrody:

Jaké jsou hlavní výhody technologie PREP?

Mezi hlavní výhody patří rychlé tuhnutí umožňující pokročilé mikrostruktury, výroba téměř čistého tvaru, flexibilní možnosti legování, čisté prostředí pro zpracování a automatizovaná výroba.

Jaké materiály může PREP zpracovávat?

Lze zpracovávat prakticky všechny systémy slitin včetně titanu, hliníku, hořčíku, niklu, kobaltu, železa, nástrojové oceli a žáruvzdorných slitin. Možné jsou také nanokompozity a amorfní slitiny.

Jak si PREP vede ve srovnání s jinými metodami aditivní výroby?

PREP umožňuje slitiny s vyšší teplotou, jemnější strukturu zrn a vyhýbá se některým problémům s pórovitostí a anizotropií. PREP má však ve srovnání s procesy tavení v práškovém loži omezené geometrické možnosti. Obě metody se vzájemně doplňují.

V jakých průmyslových odvětvích se používají slitiny vyrobené společností PREP?

Slitiny od PREPu využívá letecký, biomedicínský, automobilový, sportovní, elektronický a jaderný průmysl. Tato technologie se používá také k výrobě řezných nástrojů.

Jaká jsou některá omezení technologie PREP?

Velikost vyráběných dílů je omezena průměrem elektrody. Složitost geometrie dílů je také omezená ve srovnání s některými jinými aditivními metodami. Počáteční náklady na systém jsou relativně vysoké.

Jaké jsou nové pokroky v PREP?

Mezi současné oblasti výzkumu patří multielektrodové systémy, hybridní procesy s aditivní výrobou, pokročilé modelování, nová diagnostika in-situ a vývoj slitin.

Jak PREP zlepšuje mikrostrukturu a vlastnosti slitin?

Zjemnění zrn, zachované metastabilní fáze, zachycení rozpuštěných látek, eliminace segregace, vylepšená rozhraní a přizpůsobené podmínky tuhnutí vedou ke zlepšení vlastností slitiny.

Jaké odborné znalosti jsou zapotřebí k obsluze systému PREP?

Doporučuje se specializované školení, abyste se naučili správně obsluhovat zařízení PREP. Pro maximální využití této technologie jsou rovněž přínosné znalosti metalurgie a fyziky plazmatu.