Plasma-Rotationselektrodenverfahren Pulver: Ein umfassender Leitfaden

Übersicht

PREP-Pulver (Plasma Rotating Electrode Process) ist eine Art kugelförmiges Pulver, das mit dem PREP-Verfahren hergestellt wird. PREP-Pulver haben einzigartige Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen wie thermische Spritzschichten, additive Fertigung von Metallen und Metallspritzguss geeignet machen.

Zu den wichtigsten Merkmalen des PREP-Pulvers gehören:

• Hochgradig kugelförmige Morphologie mit glatter Oberfläche
• Kontrolliertes Mikrogefüge mit feiner Korngröße
• Geringe Porosität und hohe Dichte
• Ausgezeichnete Fließfähigkeit und Streichfähigkeit
• Hohe Packungsdichte
• Gute Mischeigenschaften
• Fähigkeit zur Herstellung von Legierungen und Verbundwerkstoffen

PREP ermöglicht die individuelle Anpassung von Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Zusammensetzung, Dichte, Oxidgehalt und mehr. Durch die Steuerung der PREP-Prozessparameter können Pulver für spezifische Anwendungsanforderungen entwickelt werden.

Arten von PREP-Pulvern

Pulverförmiges Material	Zusammensetzung	Wichtige Eigenschaften und Anwendungen
Nickel-Legierung	NiCr, NiCrAlY, NiCoCrAlY	Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Thermische Spritzschichten.
Kobalt-Legierung	CoCr, CoCrAlY, CoNiCrAlY	Hohe Temperaturbeständigkeit. Thermische Spritzschichten.
Rostfreier Stahl	316L, 304L	Korrosionsbeständigkeit. Metall-AM, MIM.
Werkzeugstahl	H13, P20	Hohe Härte. Metall AM, MIM.
Titan-Legierung	Ti6Al4V, TiAl	Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Biomedizinische Implantate, Luft- und Raumfahrt.
Kupferlegierung	CuCrZr	Hohe Wärmeleitfähigkeit. Elektronische Anwendungen.
Aluminiumlegierung	AlSi12	Leichtes Gewicht. Komponenten für die Automobilindustrie.
Wolfram-Legierung	WNiFe, WCo	Hohe Dichte. Strahlungsabschirmung.

Zusammensetzung und Mikrogefüge

PREP ermöglicht eine genaue Kontrolle der Pulverzusammensetzung und der mikrostrukturellen Merkmale:

• Legierungselemente können modifiziert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen
• Die Mikrosegregation wird im Vergleich zur Gaszerstäubung minimiert
• Feinkörniges Gefüge mit gleichmäßiger Verteilung der Phasen
• Porosität und Oxidgehalt können auf ein sehr niedriges Niveau reduziert werden
• Die kugelförmige Morphologie bleibt nach dem Legieren erhalten

Wichtige Eigenschaften von PREP-Pulver

Eigentum	Beschreibung	Vorteile
Partikelgrößenverteilung	PREP kann eine enge Verteilung mit kontrolliertem d50 erreichen.	Sorgt für gleichmäßiges Schmelzen und konstante Eigenschaften.
Morphologie	Hochgradig kugelförmig, glatte Oberfläche.	Ausgezeichnete Fließfähigkeit und Packungsdichte.
Scheinbare Dichte	Kann je nach Bedarf optimiert werden.	Eine höhere Dichte verbessert die Streuung des Pulvers.
Fließfähigkeit	Gemessen mit dem Hall-Durchflussmessverfahren.	Sorgt für eine gleichmäßige Pulverzufuhr und -verteilung.
Packungsdichte	Hohe Packungsdichte bis zu 60%.	Maximiert den Volumenanteil des Metallpulvers im Bauteil.
Oxidgehalt	Oxidwerte unter 0,2% erreicht.	Verringert Oxideinschlüsse im fertigen Teil.
Mikrostruktur	Feinkörnig und homogen.	Gleichmäßige Verteilung des Eigentums im letzten Teil.
Oberflächenchemie	Die Chemie wird genau kontrolliert.	Oxidbildung, Benetzbarkeit und Ausbreitung optimiert.

Anwendungen von PREP-Pulver

PREP-Pulver wird aufgrund seiner besonderen Eigenschaften in verschiedenen Branchen eingesetzt:

Thermische Spritzschichten

• Hervorragende Fließfähigkeit führt zu gleichmäßiger Fördermenge und Beschichtungsqualität
• Kontrollierte Partikelgrößenverteilung optimiert das Schmelzen und minimiert ungeschmolzenes Pulver
• Glatte Oberflächenmorphologie verbessert Beschichtungsdichte und Haftfestigkeit
• Niedriger Oxidgehalt verhindert Oxideinschlüsse in der Beschichtung
• Sphärische Form für höhere Abscheidungseffizienz

Metall Additive Fertigung

• Hohe Packungsdichte ermöglicht mehr Material pro Schicht, wodurch Hohlräume reduziert werden
• Glatte Oberflächenmorphologie führt zu gleichmäßigem Schmelzen und Schmelzbadfluss
• Kontrollierte Partikelgrößenverteilung verhindert Entmischungsprobleme
• Geringes Oberflächenoxid ermöglicht gute Bindung zwischen den Partikeln
• Sphärizität und Fließfähigkeit minimieren Probleme bei der Pulverzufuhr

Metall-Spritzgießen

• Hohe Packungsdichte maximiert die Sinterdichte
• Gleichmäßige Partikelgrößenverteilung verhindert Entmischung
• Gute Fließfähigkeit und Kompatibilität führen zu einer homogenen Mischung
• Niedriger Oxidgehalt verhindert Sinterfehler
• Kontrollierte Zusammensetzung führt zu den gewünschten Eigenschaften nach dem Sintern

Spezifikationen

Typische Spezifikationen für PREP-Pulver:

Parameter	Bereich
Partikelgröße	10 - 150 Mikrometer
Partikelgrößenverteilung	D10, D50, D90 können gesteuert werden
Morphologie	Hochgradig sphärisch ≥ 0,9
Scheinbare Dichte	Bis zu 60% der theoretischen Dichte
Fließfähigkeit der Halle	< 30 s/50 g
Oxidgehalt	< 0,2 wt%
Mikrostruktur	Feinkörnig < 10 Mikrometer
Oberflächenchemie	O-, C- und N-Gehalt genau kontrolliert

Lieferanten und Preisgestaltung

Einige der weltweit führenden Anbieter von PREP-Pulvern sind:

Anbieter	Standort
Sandvik	Schweden
Praxair	USA
Hoganas	Schweden
CNPC-Pulver-Gruppe	China

Die Preise für PREP-Pulver variieren je nach:

• Unedles Metall (Ni, Co, Stahl)
• Zusammensetzung der Legierung
• Partikelgrößenverteilung
• Bestellmenge
• Grad der Anpassung

Die Richtpreise reichen von $50/kg bis $120/kg für gängige Legierungen. Kundenspezifische Legierungen und Partikelgrößenverteilung können die Kosten erhöhen.

Vergleich mit gaszerstäubtem Pulver

Parameter	PREP-Pulver	Gasverdüstes Pulver
Partikelform	Hochgradig kugelförmig	Unregelmäßig, Satelliten vorhanden
Oxidgehalt	Sehr niedrig <0,2%	Typischerweise 0,5-2%
Porosität	Fast vollständig dicht	Kann eine Porosität von 10-20% haben
Homogenität der Legierung	Ausgezeichnet	Anfällig für Segregation
Fließfähigkeit	Sehr gut	Niedriger aufgrund von Satelliten
Packungsdichte	Bis zu 60%	Typischerweise 30-40%
Oberflächenchemie	Präzise kontrolliert	Variabel je nach Prozess
Kosten	Höher	Geringere Kapitalkosten

Vorteile von PREP-Pulver

• Ausgezeichnete sphärische Morphologie für Fließfähigkeit
• Kontrollierte Partikelgrößenverteilung
• Geringe Porosität und geringer Oxidgehalt
• Homogenität der Legierung und feines Gefüge
• Anpassbare Zusammensetzung und Eigenschaften
• Hohe Packungsdichte für AM und MIM

Beschränkungen des PREP-Pulvers

• Höhere Kosten im Vergleich zu gaszerstäubtem Pulver
• Begrenzt auf kleinere Partikelgrößen, in der Regel unter 150 Mikron
• Erfordert fortschrittliche Prozesskontrolle und -optimierung
• Begrenzte Produktionsrate im Vergleich zur Gaszerstäubung
• Beschränkt auf ausgewählte unedle Metalle wie Ni, Co und Stähle

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist PREP-Pulver (Plasma Rotating Electrode Process)?

A: PREP-Pulver ist ein hochgradig kugelförmiges Metallpulver, das nach dem PREP-Verfahren hergestellt wird, bei dem eine Elektrode in einem Plasmalichtbogen unter präziser Kontrolle rotiert, um die gewünschten Pulvereigenschaften zu erzielen.

F: Welche Materialien können zu PREP-Pulver verarbeitet werden?

A: Zu den gängigen Materialien gehören Nickel, Kobalt, Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan, Aluminium und Kupferlegierungen. Andere Legierungen und Verbundwerkstoffe sind mit PREP ebenfalls möglich.

F: Was sind die wichtigsten Vorteile von PREP-Pulver?

A: Die wichtigsten Vorteile sind die hervorragende Sphärizität und Fließfähigkeit, die kontrollierte Partikelverteilung, die geringe Porosität und Oxide, die feine und gleichmäßige Mikrostruktur, die anpassbare Zusammensetzung und die hohe Packungsdichte.

F: Wofür wird PREP-Pulver verwendet?

A: Die wichtigsten Anwendungen sind thermische Spritzschichten, die additive Fertigung von Metallen und der Metall-Spritzguss aufgrund seiner speziellen Eigenschaften.

F: Wie unterscheidet sich PREP-Pulver von gaszerstäubtem Pulver?

A: PREP-Pulver hat im Vergleich zu gaszerstäubtem Pulver eine bessere Sphärizität, weniger Oxide, eine geringere Porosität sowie eine homogenere Zusammensetzung und Mikrostruktur.

F: Ist PREP-Pulver teurer als gaszerstäubtes Pulver?

A: Ja, PREP-Pulver ist in der Regel teurer, weil der Prozess komplexer ist und mehr Kontrolle erfordert. Es bietet jedoch erhebliche Leistungsvorteile gegenüber gaszerstäubtem Pulver.

F: Welche Partikelgröße ist für PREP-Pulver erhältlich?

A: Der übliche Bereich liegt zwischen 10 und 150 Mikrometern. Sowohl kleinere als auch größere Größen sind möglich, aber weniger üblich. Auch die Partikelgrößenverteilung kann je nach Bedarf gesteuert werden.

F: Gibt es für PREP-Pulver begrenzte Legierungsoptionen?

A: PREP ist vor allem für Nickel-, Kobalt- und Edelstahllegierungen bekannt. Die laufende Prozessentwicklung erweitert jedoch die möglichen Legierungssysteme, einschließlich reaktiver Materialien wie Titan und Aluminium.

F: Kann PREP-Pulver für bestimmte Anwendungen angepasst werden?

A: Ja, die kundenspezifische Anpassung ist ein wesentlicher Vorteil von PREP. Die Partikeleigenschaften und die Legierungszusammensetzung können auf die Anforderungen für thermisches Spritzen, AM, MIM usw. zugeschnitten werden.

Additional FAQs on Plasma Rotating Electrode Process Powder

1) How does PREP differ from EIGA and gas atomization in contamination risk?

• PREP melts a rotating bar with a plasma arc; droplets are flung off in inert/vacuum, avoiding crucibles and minimizing contact surfaces. Compared with gas atomization, PREP typically achieves lower oxide and inclusion content; versus EIGA (Electrode Induction-melting Gas Atomization), PREP often delivers higher sphericity and fewer satellites for similar alloy systems.

2) What electrode feedstock quality is required for consistent PREP powder?

• Use vacuum arc remelted (VAR) or electroslag remelted (ESR) bars with tight chemistry tolerances, low O/N/H, and minimal surface defects. Consistent diameter and straightness are critical to maintain stable melt rate and droplet size.

3) What particle size distributions are realistic for AM vs. thermal spray from PREP?

• AM LPBF: typically 15–45 μm or 20–63 μm cuts. DED/EBAM: 45–106 μm. Thermal spray (HVOF/APS): 15–90 μm depending on process. PREP can target narrow spans with high yield due to its ligament-free droplet formation.

4) How is oxygen controlled in PREP powders for reactive alloys like Ti and Al?

• Operate in high-purity argon under low O2/H2O ppm, pre-clean and outgas electrodes, and minimize residence time. Post-process vacuum anneal or plasma reconditioning may further reduce surface oxides for Ti6Al4V and AlSi12.

5) Are PREP powders suitable for medical implants?

• Yes, when produced from medical-grade feedstock and per standards (e.g., ASTM F3001 for Ti-6Al-4V ELI powders). Lot-level certificates must document bioburden, chemistry, O/N/H, PSD, flow, and density. Ensure compliance with ISO 13485, ISO 10993 biocompatibility, and applicable FDA/CE requirements.

2025 Industry Trends for PREP Powder

• Qualification acceleration: More OEMs pre-qualify PREP Ti6Al4V and CoCr for LPBF/EBM to reduce support-induced defects and improve fatigue limits.
• Process analytics: High-speed IR/optical monitoring of the melt crown and droplet plume enables closed-loop control of electrode rpm and arc power.
• Sustainability: Increased argon recirculation, energy recovery, and Environmental Product Declarations (EPDs) for PREP lines.
• Alloy portfolio growth: PREP adoption for CuCrZr and high-strength maraging/tool steels aimed at conformal-cooled tooling and RF hardware.
• Digital powder passports: Traceability linking electrode heats, arc parameters, PSD, O/N/H, and sieve yields to end-part serials.

2025 Snapshot: PREP Powder KPIs (indicative ranges)

Metrisch	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Sphericity (image analysis, Ti6Al4V)	0.92–0.96	0.93–0.97	0.94–0.98	Supplier QA reports, peer-reviewed PREP studies
Oxygen (wt%, Ti6Al4V ELI)	0.12–0.18	0.10–0.15	0.09–0.13	ISO/ASTM 52907-compliant lots
AM-grade yield to 15–45 μm	28–38%	30–42%	32–45%	Better rpm/arc control and classification
Hall flow (s/50 g, CoCr/316L)	14–22	13–21	12–20	Higher sphericity, fewer satellites
Lead time (weeks, common alloys)	6–10	5-8	4–7	Added PREP capacity EU/US/APAC

References: ISO/ASTM 52907/52920/52930; ASTM B214/B212/B964; supplier datasheets (Sandvik, Höganäs, Carpenter Additive); NIST AM Bench resources; journal articles on PREP/Ti and CoCr powders.

Latest Research Cases

Case Study 1: PREP Ti6Al4V ELI for Fatigue-Critical LPBF Implants (2025)

• Background: A medical OEM sought to reduce scatter in high-cycle fatigue for acetabular cup lattices built via LPBF.
• Solution: Switched from gas-atomized to PREP Ti6Al4V ELI (15–45 μm), with documented O/N/H and narrow PSD; implemented vacuum stress relief and optimized laser parameters for smoother struts.
• Results: Density improved from 99.5% to 99.8%; O reduced from 0.14 to 0.11 wt%; fatigue life at 10^7 cycles increased by 18–24%; support removal time reduced 12% due to improved flow and spreading.

Case Study 2: PREP CoCrAlY for HVOF Turbine Coatings (2024)

• Background: An MRO facility aimed to cut porosity and oxide stringers in bond coats to improve TBC adherence.
• Solution: Adopted PREP CoCrAlY (20–63 μm), tuned HVOF fuel/oxygen ratios, and tightened powder moisture controls.
• Results: Coating porosity fell from 3.2% to 1.6%; oxide inclusions reduced by 40%; TBC spallation life improved 30% in burner rig tests; feed interruptions decreased due to superior powder flowability.

Expertenmeinungen

• Prof. Iain G. Todd, Professor of Metallurgy, University of Sheffield
• Viewpoint: “PREP’s contact-free melting and spherical droplets yield powders with lower oxide and inclusion content—key for reliable fatigue performance in AM titanium.”
• Dr. Christina M. Lomasney, Materials Scientist and AM Advisor
• Viewpoint: “Powder hygiene is decisive. PREP can deliver exceptional sphericity, but without low O2/H2O handling, you lose those benefits in downstream AM.”
• Dr. Eric G. Ahlstrom, Thermal Spray Specialist, former Rolls-Royce
• Viewpoint: “For HVOF bond coats like CoCrAlY, PREP powders consistently improve feed stability and reduce porosity, boosting TBC adhesion and life.”

Practical Tools and Resources

• Standards and qualification
• ISO/ASTM 52907 (feedstock), 52920/52930 (process/quality): https://www.iso.org
• ASTM F3001 (Ti-6Al-4V ELI), ASTM F3184 (metal powder reuse guidance), ASTM B214/B212/B964 test methods: https://www.astm.org
• Data and design
• NIST AM Bench datasets and measurement science: https://www.nist.gov
• Copper Development Association and Nickel Institute for alloy property data: https://www.copper.org, https://www.nickelinstitute.org
• Thermal spray guidance
• ASM Thermal Spray Society resources: https://www.asminternational.org
• OEM HVOF/APS process notes (e.g., Praxair/TAFA, Oerlikon Metco)
• Quality and compliance
• ISO 13485 for medical devices; ISO 9001 for powder production QA
• NFPA 484 safety for combustible metal powders: https://www.nfpa.org
• Market/pricing
• LME indices for Ni, Co, Ti feedstock tracking: https://www.lme.com

Last updated: 2025-10-16
Changelog: Added 5 focused FAQs; introduced a 2025 KPI table for PREP powders; provided two recent case studies (Ti6Al4V ELI for LPBF implants and CoCrAlY for HVOF); compiled expert viewpoints; linked standards, data, thermal spray, QA, safety, and market resources
Next review date & triggers: 2026-03-31 or earlier if ISO/ASTM feedstock standards update, OEMs release new PREP qualification criteria, or notable shifts occur in Ni/Co/Ti prices affecting PREP powder availability and cost