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.

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

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

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.