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:
- Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb - отличное соотношение прочности и массы, биосовместимость
- Очень тонкие порошки с контролируемым гранулометрическим составом
- AlSi10Mg, AlSi12 - низкая плотность при хорошей прочности и коррозионной стойкости
- Сферическая морфология с высокой текучестью порошка
- 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
- 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:
- Ввод сырья - Электрод вращается с высокой скоростью - до 3000 об/мин. Исходный материал, например, порошок сплава, вводится в расплавленный бассейн на вращающемся наконечнике электрода.
- Таяние - Плазменная дуга от окружающего плазмотрона (факела) расплавляет вводимое сырье и участки поверхности вращающегося электрода. Температура превышает 10 000°C, что обеспечивает быстрое плавление.
- Выброс расплавленного материала - Под действием центробежных сил, возникающих при быстром вращении, расплавленный материал срывается с наконечника электрода. При этом образуются капли, которые распространяются наружу.
- Образование месторождений - Выброшенный расплав ударяется о водоохлаждаемую медную форму, расположенную вокруг электрода. Капли быстро застывают, постепенно образуя осадок.
- Индивидуальное затвердевание - Высокая скорость теплообмена, обеспечиваемая пресс-формой, позволяет контролировать направленное затвердевание. Это позволяет оптимизировать структуру осадка.
- Сбор депозитов - После полного формования отформованное изделие извлекается из камеры. Это может быть слиток, деталь почти чистой формы или изделие другой морфологии.
- Автоматизированная работа - Система PREP полностью автоматизирована и управляется компьютером. Она может работать без участия оператора и накапливать значительные объемы материала.
- 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.
