Плазменный процесс с вращающимися электродами

Сайт Процесс плазменного вращающегося электрода (PREP) это передовая технология обработки материалов, использующая плазменную дугу и центробежные силы для получения высокоэффективных материалов. Этот инновационный метод сочетает в себе преимущества плазменно-дуговой плавки и центробежного литья, позволяя получать материалы с превосходными свойствами по сравнению с традиционными способами обработки.

Обзор процесса плазменного вращающегося электрода

В процессе плазменной обработки вращающимся электродом используется вращающийся графитовый электрод, окруженный плазменной дугой. При вращении электрода исходный материал непрерывно расплавляется плазменной дугой и под действием центробежных сил отбрасывается от кончика электрода. Расплавленный материал застывает и собирается, в результате чего получается готовая деталь или слиток.

К числу основных преимуществ технологии PREP относятся:

• Быстрые скорости плавления и затвердевания, позволяющие создавать изысканные микроструктуры
• Получение сплавов, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами
• Возможность обработки реактивных материалов без загрязнения
• Легирование in-situ и управление микроструктурой
• Возможность придания близкой к чистой формы, минимизация механической обработки

По сравнению с другими методами плазменной плавки вращающийся электрод обеспечивает дополнительный контроль над тепловыми условиями в процессе обработки. Это позволяет подобрать индивидуальные условия затвердевания для оптимизации микроструктуры и свойств готового материала.

Источник плазмы обеспечивает чрезвычайно высокую температуру, превышающую 10 000°C, что позволяет плавить любые материалы. Регулируя мощность плазмы и другие параметры, можно точно управлять тепловыми условиями. Это позволяет гибко подходить к разработке сплавов и условий обработки.

технология плазменного вращающегося электродного процесса (PREP) для 3D-печати:

Титановые сплавы

• Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb - отличное соотношение прочности и массы, биосовместимость
• Очень тонкие порошки с контролируемым гранулометрическим составом

Алюминиевые сплавы

• AlSi10Mg, AlSi12 - низкая плотность при хорошей прочности и коррозионной стойкости
• Сферическая морфология с высокой текучестью порошка

Никелевые суперсплавы

• Инконель 718, Inconel 625 - выдающиеся высокотемпературные свойства
• Плотные 3D-печатные детали с тонкой микроструктурой

Инструментальные стали

• Нержавеющие H13, P20, 420 - высокая твердость, износостойкость и коррозионная стойкость
• Возможность изготовления деталей пресс-форм и штампов сложной геометрии

Тугоплавкие сплавы

• Вольфрамтантал, молибден - Очень высокие температуры плавления
• Порошки высокой плотности, пригодные для радиационной защиты

Медные сплавы

• CuCrZr, CuNi2SiCr - отличная тепло- и электропроводность
• Применяются в системах терморегулирования

Кобальтохромовые сплавы

• CoCrMo, CoCrW - биосовместимость и высокая прочность
• Низкая внутренняя пористость при оптимизированных параметрах

Сферические порошки, полученные с помощью PREP, позволяют создавать 3D-печатные детали высокой плотности с отличными механическими свойствами, пригодные для применения в аэрокосмической, медицинской, инструментальной и других отраслях.

Система сплавов	Пример сплавов	Основные свойства	Приложения
Титановые сплавы	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb	Высокое соотношение прочности и массы, биосовместимость	Авиакосмическая промышленность, медицина
Алюминиевые сплавы	AlSi10Mg, AlSi12	Низкая плотность, хорошая прочность и коррозионная стойкость	Автомобильная промышленность, потребительские товары
Никелевые суперсплавы	Инконель 718, Инконель 625	Отличные высокотемпературные свойства	Лопатки турбин, сопла ракет
Инструментальные стали	Нержавеющая сталь H13, P20, 420	Высокая твердость, износостойкость и коррозионная стойкость	Пресс-формы для литья под давлением, штампы
Тугоплавкие сплавы	Вольфрам, тантал, молибден	Исключительно высокие температуры плавления	Радиационная защита, детали высокотемпературных печей
Медные сплавы	CuCrZr, CuNi2SiCr	Высокая тепло- и электропроводность	Охлаждение электроники, разъемы
Кобальтохромовые сплавы	CoCrMo, CoCrW	Биосовместимость, высокая прочность	Медицинские имплантаты, зубные коронки

Оборудование, используемое при плазменной обработке вращающихся электродов

К основным компонентам, используемым в процессе плазменного вращающегося электрода, относятся:

Плазменные резаки

• Обычно передаются дуговые резаки мощностью 10-100 кВт
• Обеспечивает высокотемпературную плазменную дугу для расплавления подаваемого материала
• Могут использоваться различные плазмообразующие газы - аргон, азот, водород, гелий

Вращающийся электрод

• Обычно изготавливаются из графита для обеспечения возможности работы при высоких температурах
• Диаметр и длина зависят от размера детали
• Вращается со скоростью до 3000 об/мин
• Водяное охлаждение для выдерживания высоких тепловых нагрузок

Mold

• Графитовая или медная форма для придания формы осаждаемому материалу
• Водяное охлаждение для быстрого затвердевания расплавленного материала
• Центробежные силы прижимают материал к стенкам пресс-формы

Источники питания

• Источник питания постоянного тока для работы плазмотрона
• Может работать в режиме горячего или холодного катода
• Токи в диапазоне 100-1000 А в зависимости от плазмотрона

Вакуумная камера

• Обеспечивает контролируемую атмосферу для плазменной дуги
• Вакуум или среда инертного газа

Система управления

• Компьютерный контроль параметров плазмы
• Скорость вращения
• Скорость подачи материала
• Автоматизированное производство

Принцип работы плазменного процесса с вращающимися электродами

Процесс плазменного вращающегося электрода объединяет центробежное литье и плазменно-дуговую плавку в одну интегрированную систему. Ниже приводится обзор принципа работы PREP:

1. Ввод сырья - Электрод вращается с высокой скоростью - до 3000 об/мин. Исходный материал, например, порошок сплава, вводится в расплавленный бассейн на вращающемся наконечнике электрода.
2. Таяние - Плазменная дуга от окружающего плазмотрона (факела) расплавляет вводимое сырье и участки поверхности вращающегося электрода. Температура превышает 10 000°C, что обеспечивает быстрое плавление.
3. Выброс расплавленного материала - Под действием центробежных сил, возникающих при быстром вращении, расплавленный материал срывается с наконечника электрода. При этом образуются капли, которые распространяются наружу.
4. Образование месторождений - Выброшенный расплав ударяется о водоохлаждаемую медную форму, расположенную вокруг электрода. Капли быстро застывают, постепенно образуя осадок.
5. Индивидуальное затвердевание - Высокая скорость теплообмена, обеспечиваемая пресс-формой, позволяет контролировать направленное затвердевание. Это позволяет оптимизировать структуру осадка.
6. Сбор депозитов - После полного формования отформованное изделие извлекается из камеры. Это может быть слиток, деталь почти чистой формы или изделие другой морфологии.
7. Автоматизированная работа - Система PREP полностью автоматизирована и управляется компьютером. Она может работать без участия оператора и накапливать значительные объемы материала.
8. Гибкость параметров - Такие параметры, как мощность плазмы, скорость вращения электродов и скорость подачи материала, можно регулировать для настройки характеристик отложений.

Уникальные возможности плазменной обработки вращающихся электродов

Плазменный вращающийся электродный процесс обладает рядом уникальных возможностей, отличающих его от других методов обработки материалов:

Быстрые скорости затвердевания

• Возможны скорости затвердевания, превышающие 100 000°C/с
• Обеспечивает образование неравновесных фаз и метастабильных структур
• Уточнение размеров зерен до наноразмеров

Изготовление сетчатых форм

• Отложения могут быть сформованы по форме, близкой к чистой, что уменьшает механическую обработку
• Сложные геометрические формы деталей могут быть изготовлены напрямую
• Исключение дополнительных этапов обработки

Обработка реактивных материалов

• Ограничение плазменной дуги позволяет обрабатывать химически активные материалы без загрязнения
• Возможно получение высокореакционных сплавов, таких как алюминиды титана

Тепловой контроль

• Вращающийся электрод обеспечивает дополнительный контроль над тепловым режимом
• Обеспечивает индивидуальный подбор неравновесных скоростей охлаждения для управления микроструктурой

Легирование на месте

• Легирующие добавки могут вводиться в расплавленный бассейн в процессе обработки
• Обеспечивает гибкость при разработке и производстве новых сплавов

Чистая технологическая среда

• Вакуумная камера обеспечивает контролируемую атмосферу
• Отсутствие необходимости в тиглях снижает вероятность загрязнения

Системы сплавов, обработанные с помощью PREP

Система сплавов	Описание
Алюминиды титана	Интерметаллидные сплавы на основе Ti и Al с высокотемпературными свойствами
Объемные металлические стекла	Аморфные сплавы с высокой прочностью и твердостью
Металломатричные композиты	Армированные частицы обеспечивают высокую прочность и жесткость
Суперсплавы	Сплавы на основе Ni, Fe или Co с отличным сопротивлением ползучести
Инструментальные стали	Сплавы на основе железа с высокой твердостью и износостойкостью
Тугоплавкие металлы	Металлы со сверхвысокой температурой плавления, такие как W, Mo, Nb, Ta

Плазменный процесс с вращающимся электродом позволяет получать широкий спектр систем сплавов, включая:

Алюминиды титана

• Интерметаллические сплавы на основе Ti и Al
• Отличные высокотемпературные свойства при низкой плотности
• Используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности

Наливные металлические стаканы

• Аморфные сплавы с повышенной прочностью и твердостью
• Высокая скорость охлаждения позволяет формировать металлическое стекло
• Превосходные инженерные материалы и покрытия

Металломатричные композиты

• Армированные карбидами, оксидами или другими частицами
• Отличная удельная прочность и жесткость
• Используется для изготовления деталей аэрокосмической, автомобильной и полупроводниковой промышленности

Суперсплавы

• Сплавы на основе никеля, железа или кобальта с превосходным сопротивлением ползучести
• Используется для изготовления высокотемпературных конструкций в турбинах и двигателях

Инструментальные стали

• Сплавы на основе железа с высокой твердостью и износостойкостью
• Используется для изготовления режущего инструмента, пресс-форм, штампов и других изделий

Тугоплавкие металлы

• Металлы со сверхвысокой температурой плавления, такие как вольфрам, молибден, ниобий, тантал
• Используется для высокотемпературных применений благодаря сохранению прочности

Микроструктура и улучшение свойств

Одним из основных преимуществ PREP является возможность создания усовершенствованных микроструктур, придающих улучшенные свойства. В качестве примера можно привести:

Рафинирование зерна

• Возможно получение очень мелких наноразмерных зерен
• Результат - увеличение прочности в соответствии с зависимостью Холла-Петча

Растворимость в твердых телах

• Захват растворителя путем быстрого затвердевания расширяет растворимость твердого тела
• Изменяет поведение сплава, позволяя создавать новые композиции

Неравновесные фазы

• Метастабильные фазы могут сохраняться при комнатной температуре
• Обеспечивает упрочнение осадков и изменяет их свойства

Усиление частицами

• In-situ формирование наноразмерных преципитатов и частиц
• Отличные упрочнители и улучшители размера зерна

Ликвидация сегрегации

• Отсутствие химической сегрегации благодаря быстрому затвердеванию
• Повышение однородности сплава и устранение дефектов

Улучшенные интерфейсы

• Быстрое затвердевание обеспечивает отсутствие загрязнений в интерфейсах
• Укрепляет границы зерен и межфазные границы

Преимущества плазменной обработки вращающимися электродами

К числу основных преимуществ технологии PREP относятся:

• Универсальность - Возможность обработки практически всех систем сплавов
• Превосходные микроструктуры - Достигается значительное измельчение зерна и микролегирование
• Близкая форма сети - Сложные геометрические формы могут быть изготовлены напрямую
• Эффективность - Автоматизированное управление с высокой производительностью
• Качество - Обеспечивает чистоту технологической среды и исключает брак
• Производительность - Получение сплавов с превосходными механическими свойствами
• Новые сплавы - Позволяет разрабатывать уникальные метастабильные композиции
• Экономическая эффективность - Сокращение отходов сырья и требований к механической обработке

По сравнению с другими методами обработки, PREP открывает новые возможности для разработки сплавов и оптимизации характеристик материалов.

Области применения сплавов, получаемых методом PREP

Сплавы, полученные методом плазменного вращающегося электрода, нашли применение в различных ответственных областях:

Аэрокосмические компоненты

• Лопатки, диски, корпуса турбин из никелевых и титановых сплавов
• Требуется высокая прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах

Режущий инструмент

• Сверла, концевые фрезы, пильные диски из сплавов инструментальной стали
• Должны выдерживать износ, удары и нагрев в процессе обработки

Биомедицинские имплантаты

• Сплавы титана или нержавеющей стали для ортопедических имплантатов
• Отличная коррозионная стойкость и биосовместимость

Автомобильные запчасти

• Компоненты двигателя, трансмиссии из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов
• Облегчение и эксплуатационные характеристики в экстремальных условиях

Спортивные товары

• Клюшки для гольфа, велосипеды и оборудование высокого класса с использованием современных сплавов
• Требуется высокое соотношение прочности и массы

Электроника

• Радиаторы из бериллиевых композитов
• Требуются возможности терморегулирования

Ядерные приложения

• Армированные материалы, используемые в ядерных реакторах
• Должен сохранять работоспособность под воздействием радиации

Области применения сплавов, получаемых методом PREP

Промышленность	Приложение
Аэрокосмическая промышленность	Компоненты турбины
Режущие инструменты	Сверла, пильные диски
Биомедицина	Имплантаты
Автомобильная промышленность	Детали двигателя и трансмиссии
Спортивные товары	Клубы, велосипеды, снаряжение
Электроника	Теплоотводы
Ядерный	Компоненты для реакторов

Современные исследования в области плазменной обработки вращающихся электродов

В настоящее время ведется ряд исследований, направленных на дальнейшее развитие технологии PREP:

• Моделирование сложных взаимодействий плазмы с материалом
• Использование в качестве сырья новых и переработанных материалов
• Многоэлектродные конфигурации для производства крупных деталей
• Гибридные процессы PREP в сочетании с аддитивным производством
• Разработка новых средств измерительной диагностики
• Соединение разнородных сплавов для создания металломатричных композитов
• Исследование армирования углеродными нанотрубками
• Экономический анализ и анализ жизненного цикла процесса

Продолжение исследований позволит усовершенствовать процесс, расширить диапазон сплавов и найти новые области применения. Государственные учреждения и частные компании активно инвестируют в развитие плазменной обработки вращающихся электродов.

Перспективы развития технологии PREP

Процесс плазменной обработки вращающимися электродами представляет собой инновационный скачок в технологии обработки материалов. Дальнейшие разработки и внедрение в промышленность позволят получить высокоэффективные сплавы нового поколения.

Несколько тенденций указывают на светлое будущее PREP:

• Спрос на специализированные современные сплавы в различных отраслях промышленности растет. PREP позволяет получать композиции сплавов, недостижимые традиционными методами.
• Все более широкое применение находят методы получения чистой формы и аддитивного производства. PREP имеет возможности практически чистого формообразования, превосходящие другие методы по гибкости и качеству сплавов.
• Высокая производительность автоматизированного производства - залог конкурентоспособности. PREP обеспечивает автоматическое управление с высокой производительностью.
• Требования к качеству критических компонентов становятся все более жесткими. PREP предлагает высокоточную, чистую и контролируемую среду обработки.
• Сплавы с улучшенной микроструктурой обладают исключительными эксплуатационными характеристиками. PREP открывает метастабильные структуры с уникальными свойствами.

Благодаря этим факторам PREP может стать важнейшей технологией для производства сплавов нового поколения во многих отраслях. Ожидается дальнейший быстрый рост в этой интересной области.

Часто задаваемые вопросы о плазменной обработке вращающимися электродами:

Вот некоторые часто задаваемые вопросы о процессе плазменной обработки вращающимся электродом:

Каковы основные преимущества технологии PREP?

Среди основных преимуществ - быстрая скорость затвердевания, позволяющая создавать усовершенствованные микроструктуры, изготовление практически чистой формы, гибкие возможности легирования, чистая среда обработки и автоматизированное производство.

Какие материалы могут быть обработаны в PREP?

Возможна обработка практически любых систем сплавов, включая титан, алюминий, магний, никель, кобальт, железо, инструментальную сталь и тугоплавкие сплавы. Возможна также обработка нанокомпозитов и аморфных сплавов.

Чем PREP отличается от других методов аддитивного производства?

PREP позволяет получать более высокотемпературные сплавы, более мелкозернистые структуры и избежать некоторых проблем, связанных с пористостью и анизотропией. Однако PREP имеет ограниченные геометрические возможности по сравнению с процессами плавки в порошковом слое. Эти два процесса дополняют друг друга.

В каких отраслях промышленности используются сплавы, производимые компанией PREP?

Сплавы PREP используются в аэрокосмической, биомедицинской, автомобильной, спортивной, электронной и атомной промышленности. Технология также используется для изготовления режущего инструмента.

Каковы некоторые ограничения технологии PREP?

Размер изготавливаемых деталей ограничивается диаметром электрода. Сложность геометрии деталей также ограничена по сравнению с некоторыми другими аддитивными методами. Первоначальная стоимость системы относительно высока.

Какие новые достижения появились в PREP?

Некоторые текущие направления исследований включают многоэлектродные системы, гибридные процессы с аддитивным производством, усовершенствованное моделирование, новые методы диагностики in-situ и разработку сплавов.

Как PREP улучшает микроструктуру и свойства сплавов?

Уточнение зерен, удержание метастабильных фаз, улавливание растворителей, устранение сегрегации, улучшение межфазных границ и адаптация условий затвердевания приводят к улучшению характеристик сплава.

Какой опыт требуется для эксплуатации системы PREP?

Для того чтобы научиться правильно эксплуатировать оборудование PREP, рекомендуется пройти специальное обучение. Знания в области металлургии и физики плазмы также полезны для получения максимальной отдачи от этой технологии.