Плазменные порошковые процессы с вращающимися электродами: Исчерпывающее руководство

Обзор

Порошок плазменного вращающегося электрода (PREP) - это разновидность сферического порошка, получаемого методом PREP. Порошки PREP обладают уникальными свойствами, позволяющими использовать их в различных областях, таких как термическое напыление покрытий, аддитивное производство металлов и литье металлов под давлением.

К числу основных характеристик порошка PREP относятся:

• Высокая сферическая морфология с гладкой поверхностью
• Управляемая микроструктура с мелким размером зерна
• Низкая пористость и высокая плотность
• Отличная текучесть и распределяемость
• Высокая плотность упаковки
• Хорошие характеристики смешивания
• Возможность производства сплавов и композитов

PREP позволяет настраивать такие характеристики порошка, как гранулометрический состав, состав, плотность, содержание оксидов и др. Регулируя параметры процесса PREP, можно создавать порошки, отвечающие конкретным требованиям.

Типы порошков PREP

Порошковый материал	Состав	Основные свойства и области применения
Никелевый сплав	NiCr, NiCrAlY, NiCoCrAlY	Стойкость к окислению и коррозии. Покрытия, наносимые термическим распылением.
Кобальтовый сплав	CoCr, CoCrAlY, CoNiCrAlY	Высокотемпературная прочность. Покрытия для термического напыления.
Нержавеющая сталь	316L, 304L	Коррозионная стойкость. Металл AM, MIM.
Инструментальная сталь	H13, P20	Высокая твердость. Металл AM, MIM.
Титановый сплав	Ti6Al4V, TiAl	Высокое соотношение прочности и веса. Биомедицинские имплантаты, аэрокосмическая промышленность.
Медный сплав	CuCrZr	Высокая теплопроводность. Электронные применения.
Алюминиевый сплав	AlSi12	Легкий вес. Автомобильные компоненты.
Вольфрамовый сплав	WNiFe, WCo	Высокая плотность. Защита от излучения.

Состав и микроструктура

PREP позволяет тщательно контролировать состав порошка и его микроструктурные особенности:

• Легирующие элементы могут быть модифицированы для достижения желаемых свойств
• Микросегрегация сведена к минимуму по сравнению с распылением газа
• Мелкозернистая микроструктура с равномерным распределением фаз
• Пористость и содержание оксидов могут быть снижены до очень низких уровней
• После легирования сохраняется сферическая морфология

Основные свойства порошка PREP

Недвижимость	Описание	Преимущества
Распределение частиц по размерам	PREP позволяет добиться узкого распределения с контролируемым d50.	Обеспечивает равномерное плавление и стабильные свойства.
Морфология	Сферическая форма, гладкая поверхность.	Отличная текучесть и плотность упаковки.
Кажущаяся плотность	Может быть оптимизирована в зависимости от требований.	Повышенная плотность улучшает распределение порошка.
Текучесть	Измеряется методом расходомера Холла.	Обеспечивает равномерную подачу и распределение порошка.
Плотность упаковки	Высокая плотность упаковки - до 60%.	Максимальное увеличение объемной доли металлического порошка в детали.
Содержание оксидов	Достигнут уровень оксида ниже 0,2%.	Уменьшает количество оксидных включений в готовой детали.
Микроструктура	Мелкозернистый и однородный.	Равномерное распределение имущества в финальной части.
Химия поверхности	Химический состав точно контролируется.	Оптимизировано образование оксидов, смачиваемость и растекание.

Области применения порошка PREP

Порошок PREP используется в различных отраслях промышленности благодаря своим особым свойствам:

Термические напыляемые покрытия

• Отличная текучесть обеспечивает равномерную подачу и качество покрытия
• Контролируемый гранулометрический состав оптимизирует плавление и минимизирует количество нерасплавленного порошка
• Гладкая морфология поверхности повышает плотность покрытия и прочность адгезии
• Низкое содержание оксидов предотвращает появление оксидных включений в покрытии
• Сферическая форма обеспечивает более высокую эффективность осаждения

Металл Аддитивное производство

• Высокая плотность упаковки позволяет использовать большее количество материала на слой, что уменьшает количество пустот
• Гладкая морфология поверхности обеспечивает равномерное плавление и растекание расплава
• Контролируемый гранулометрический состав предотвращает проблемы сегрегации
• Низкий уровень поверхностного оксида обеспечивает хорошее межчастичное сцепление
• Сферичность и текучесть сводят к минимуму проблемы с подачей порошка

Литье металлов под давлением

• Высокая плотность упаковки обеспечивает максимальную плотность спекания
• Равномерное распределение частиц по размерам предотвращает сегрегацию
• Хорошая текучесть и совместимость обеспечивают однородное смешивание
• Низкое содержание оксидов предотвращает появление дефектов спекания
• Контролируемый состав позволяет получить желаемые свойства после спекания

Технические характеристики

Типовые технические характеристики порошка PREP:

Параметр	Диапазон
Размер частиц	10 - 150 мкм
Распределение частиц по размерам	Возможность управления D10, D50, D90
Морфология	Высокая сферичность ≥ 0,9
Кажущаяся плотность	До 60% теоретической плотности
Текучесть по залу	< 30 с/50 г
Содержание оксидов	< 0,2 wt%
Микроструктура	Мелкозернистость < 10 мкм
Химия поверхности	Точный контроль уровней O, C, N

Поставщики и ценообразование

К числу ведущих мировых поставщиков порошков PREP относятся:

Поставщик	Расположение
Sandvik	Швеция
Praxair	США
Hoganas	Швеция
CNPC Powder Group	Китай

Цена на порошок PREP варьируется в зависимости от:

• Основной металл (Ni, Co, сталь)
• Состав сплава
• Распределение частиц по размерам
• Количество заказов
• Уровень персонализации

Ориентировочные цены составляют от $50/кг до $120/кг для распространенных сплавов. Нестандартные сплавы и гранулометрический состав могут увеличить стоимость.

Сравнение с порошком, распыляемым газом

Параметр	Порошок PREP	Газовый распыляемый порошок
Форма частиц	Высокая сферичность	Неравномерный, присутствуют спутники
Содержание оксидов	Очень низкий <0,2%	Обычно 0,5-2%
Пористость	Почти полная плотность	Может иметь пористость 10-20%
Однородность сплава	Отличный	Склонность к сегрегации
Текучесть	Очень хорошо	Ниже за счет спутников
Плотность упаковки	До 60%	Обычно 30-40%
Химия поверхности	Точный контроль	Изменяется в зависимости от процесса
Стоимость	Выше	Более низкие капитальные затраты

Преимущества порошка PREP

• Отличная сферическая морфология для обеспечения текучести
• Контролируемый гранулометрический состав
• Низкая пористость и содержание оксидов
• Однородность сплава и тонкая микроструктура
• Настраиваемый состав и свойства
• Высокая плотность упаковки для AM и MIM

Ограничения порошка PREP

• Более высокая стоимость по сравнению с порошком, распыляемым газом
• Ограничивается частицами меньшего размера, обычно менее 150 мкм
• Требуется расширенный контроль и оптимизация процессов
• Ограниченная производительность по сравнению с газовым распылением
• Ограничение на некоторые цветные металлы, такие как Ni, Co и стали

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Что такое порошковый плазменный вращающийся электродный процесс (ПРЭП)?

О: Порошок PREP представляет собой высокосферический металлический порошок, изготовленный по методу PREP, который предполагает вращение электрода в плазменной дуге под точным контролем для достижения желаемых характеристик порошка.

Вопрос: Из каких материалов может быть изготовлен порошок PREP?

О: К распространенным материалам относятся никель, кобальт, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титан, алюминий и медные сплавы. Другие сплавы и композиты также возможны с помощью PREP.

Вопрос: Каковы основные преимущества порошка PREP?

О: Ключевыми преимуществами являются отличная сферичность и текучесть, контролируемое распределение частиц, низкий уровень пористости и оксидов, тонкая и однородная микроструктура, настраиваемый состав и высокая плотность упаковки.

Вопрос: Для чего используется порошок PREP?

О: Основными областями применения являются термическое напыление покрытий, аддитивное производство металлов и литье металлов под давлением благодаря своим особым свойствам.

Вопрос: Чем порошок PREP отличается от порошка, распыляемого газом?

A: Порошок PREP имеет более высокую сферичность, меньшее количество оксидов, меньшую пористость, более однородный состав и микроструктуру по сравнению с порошком, распыляемым газом.

Вопрос: Является ли порошок PREP более дорогим, чем порошок, распыляемый газом?

О: Да, порошок PREP обычно стоит дороже из-за большей сложности процесса и необходимости контроля. Однако он обладает значительными преимуществами по сравнению с порошком, распыляемым газом.

Вопрос: Какой размер частиц имеет порошок PREP?

О: Обычный диапазон составляет от 10 до 150 мкм. Возможны как меньшие, так и большие размеры, но они встречаются реже. Гранулометрический состав также может регулироваться в соответствии с требованиями.

Вопрос: Имеет ли порошок PREP ограниченные варианты сплавов?

О: Технология PREP наиболее широко применяется для сплавов никеля, кобальта и нержавеющей стали. Однако постоянное развитие процесса расширяет круг возможных систем сплавов, включая такие реакционноспособные материалы, как титан и алюминий.

Вопрос: Может ли порошок PREP быть изготовлен по индивидуальному заказу для конкретных применений?

О: Да, индивидуальный подход является одним из ключевых преимуществ PREP. Характеристики частиц и состав сплава могут быть подобраны в соответствии с требованиями для термического напыления, AM, MIM и т.д.

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)

Метрика	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.

Мнения экспертов

• 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