Atomización con electrodo rotatorio de plasma, equipo de fabricación de polvo, preparación, sistema de fabricación de polvo
Los polvos metálicos se pueden preparar por una variedad de métodos, como mecánicos (molienda de bolas, trituración, etc.), físicos (atomización) y químicos (reducción, electrólisis, métodos de carbonilo y desplazamiento, etc.). Sin embargo, para cumplir con los requisitos de la tecnología SEBM para polvos metálicos esféricos, la atomización es el método principal utilizado para la preparación de polvos metálicos, específicamente atomización con agua, WA, atomización con gas, GA, atomización con plasma, PA y proceso de electrodo rotatorio de plasma, PREP. proceso, PREP y, a veces, hidruro-dehídrido, HDH, para reducir el costo de preparación del polvo.
PREP Tecnología de fabricación de polvo
El método de atomización con electrodo giratorio de plasma utiliza el arco de plasma como fuente de calor para fundir continuamente la cara final de una barra de metal giratoria de alta velocidad, bajo la acción de la fuerza centrífuga, las gotas de metal fundido salen volando y se solidifican rápidamente bajo el efecto de enfriamiento de gas inerte (argón o helio) para formar un polvo metálico esférico. En comparación con la atomización con agua y la atomización con gas, el método de atomización con electrodo rotatorio de plasma tiene una tasa de enfriamiento más baja y produce polvos con alta esfericidad, buena fluidez, bajo contenido de oxígeno y muy pocos polvos huecos y satélites. El polvo preparado es puro ya que se evita la contaminación del crisol. Además, el polvo preparado por este método tiene una distribución de tamaño de partícula estrecha.
Estado de la solicitud
La tecnología de polvo PREP fue desarrollada por primera vez por Nuclear Metals Corporation en los EE. UU. y se informó en una patente en 1963, y en 1974, la antorcha de plasma reemplazó al arco de electrodo de tungsteno como fuente de calor y se desarrolló el método de atomización por electrodo rotatorio de plasma (PREP).
En 1974, la antorcha de plasma reemplazó al arco de electrodo de tungsteno como fuente de calor y nació el método de atomización por electrodo rotatorio de plasma (PREP). En 1983, el Instituto de Metalurgia de Polvos del Instituto de Metales No Ferrosos del Noroeste diseñó y desarrolló el primer equipo PREP en China y, posteriormente, varias empresas e instituciones chinas también llevaron a cabo investigaciones y desarrollos sobre esta tecnología. El método PREP, como método de atomización centrífuga, tiene las ventajas de una buena esfericidad, alta densidad de vibración, buena fluidez, bajo contenido de gas y estrecha distribución del tamaño de las partículas en comparación con otros métodos. Con más de 40 años de desarrollo, el método de atomización por electrodo rotatorio de plasma se ha desarrollado rápidamente en términos de mejora de equipos, control de procesos y calidad del polvo, y se ha convertido en un método indispensable para la preparación de polvos metálicos esféricos.
Los equipos PREP suelen constar de un sistema de vacío, un sistema de gas, un sistema de refrigeración, un sistema de alimentación, un generador de plasma, un dispositivo de alimentación, una cámara de atomización y un sistema de recogida.
dispositivo de alimentación, cámara de atomización y sistema de recogida. El gas inerte, generalmente argón, helio o una mezcla de argón y helio, protege y enfría el polvo durante el proceso de atomización y es la clave de su calidad. Las instalaciones rusas de producción de polvo por lo general establecen la proporción de helio a argón en 4:1.
La antorcha de plasma suele funcionar en dos modos, el modo de arco de transferencia y el modo de arco sin transferencia, los equipos rusos utilizan mayoritariamente el modo de arco sin transferencia, es decir, el arco se genera entre el electrodo y la boquilla. Xi'an Sailong Metals utiliza el modo de operación de arco de transferencia, que permite que se transfiera más calor al material en barra, lo que aumenta la tasa de fusión de la cara del extremo del material en barra y mejora la eficiencia de producción.
En los últimos años, Xi'an Sailong Metals ha desarrollado el primer grado industrial vertical SLPA-V máquina de PREPARACIÓN en el mundo. Esta máquina tiene una estructura de colocación de barra de electrodos vertical, que reduce la vibración durante la operación, aumenta la velocidad de trabajo y asegura una producción estable de polvo de alta calidad.
Además, la planta de atomización de electrodo rotatorio de plasma de mesa SLPA-D con una velocidad de trabajo de hasta 60 000 rpm es adecuada para el desarrollo y la producción de polvos metálicos esféricos de alta calidad en lotes pequeños y en muchas variedades. La máquina SLPA-H PREP de grado industrial tiene una nueva estructura de sello dinámico, que puede proporcionar soporte de energía para la rotación a alta velocidad de varillas de electrodos de gran diámetro. El nuevo sistema de suministro de energía y accionamiento giratorio de electrodos de alta velocidad y alto torque se puede utilizar para el desarrollo y la producción de electrodos de 75 mm a 13 000 a 18 000 rpm.
El nuevo sistema de suministro de energía y accionamiento de rotación de varilla de alta velocidad y alto par permite el funcionamiento normal de la varilla de Φ75 mm a 13 000-18 000 r/min y una fuente de alimentación estable a corrientes altas de 3000 A.
Tamaño de partícula del polvo metálico PREP
El tamaño de partícula del polvo y su distribución es una de las preocupaciones más importantes para las aplicaciones posteriores y, a menudo, afecta las propiedades del polvo y, en última instancia, la calidad de la pieza formada, por lo tanto, los parámetros del proceso PREP deben determinarse razonablemente para que la distribución del tamaño de partícula se encuentre. tanto como sea posible dentro del rango requerido.
En general, los principales parámetros del proceso que influyen en la distribución del tamaño de partícula del polvo son el material de la barra de electrodos, la velocidad de rotación de la barra de electrodos, el diámetro de la barra, la potencia de la pistola de plasma, la velocidad de alimentación, la distancia entre la pistola de plasma y la barra. , el flujo de gas de plasma, etc. En el proceso de fabricación de polvo PREP, las gotas se expulsan cuando la fuerza centrífuga es mayor que la tensión superficial, por lo tanto, aumentar la velocidad de rotación de la varilla del electrodo o aumentar el diámetro de la varilla del electrodo para aumentar la fuerza centrífuga puede reducir el tamaño de las partículas de polvo. Además, la velocidad de fusión en la cara frontal de la barra debe ser lo más igual posible a la velocidad de alimentación. Si la velocidad de fusión es mayor que la velocidad de alimentación, se producirá la ruptura del arco; si la velocidad de alimentación es mayor que la velocidad de fusión, se producirá una fusión deficiente, formando bordes voladores y otros problemas. La distancia entre la pistola de plasma y la barra afectará el sobrecalentamiento del polvo y el flujo de gas de plasma tendrá un efecto sobre el efecto de enfriamiento. Se ha encontrado que el tamaño de partícula promedio del polvo está relacionado principalmente con la barra
Cuanto mayor sea la velocidad o el diámetro de la barra, más fino será el polvo cuando el material tenga un tamaño determinado, mientras que la distribución del tamaño de las partículas está relacionada con la velocidad de la barra, la corriente y la distancia entre la pistola de plasma y el extremo de la barra, etc. El aumento de la velocidad, la disminución de la corriente o la distancia entre la pistola de plasma y el extremo de la barra reducirá la curva de distribución del tamaño de las partículas.
Cuando los materiales son diferentes, el tamaño medio de las partículas y su distribución suelen estar relacionados con factores como la densidad y la tensión superficial del material.
Preparación y aplicación de polvo PREP
El desarrollo de la tecnología PREP ha hecho posible preparar un número cada vez mayor de nuevos materiales en polvo. Los tipos de polvos involucrados son aleaciones de titanio, acero 1018, acero con alto contenido de nitrógeno, Ni-Ti-Fe, Inconel 718, FGH95, Ti, TiNb, etc.
La mayoría de los polvos producidos por Xi'an Sailong son polvo de aleación de titanio, polvo de aleación de alta temperatura y polvo de acero inoxidable.
Hasta ahora, polvo de aleación de titanio, polvo de aleación de alta temperatura a base de cobalto, polvo de aleación de alta temperatura a base de níquel, polvo de metal refractario (por ejemplo, W, Mo Ta, Nb y sus aleaciones), polvo de acero inoxidable y polvo de aleación de aluminio y plata polvo de aleación, etc., y el polvo tiene un rendimiento excelente y se puede producir después Los polvos se usan ampliamente en los campos aeroespacial, de maquinaria y biomédicos después de fabricarse o prensarse isostáticamente en caliente.
Additional FAQs: Plasma Rotating Electrode Atomizing Powder Making System
1) How does Plasma Rotating Electrode Atomizing (PREP) differ from gas/plasma atomization?
- PREP melts the end of a rapidly rotating electrode bar with a plasma arc; centrifugal force ejects droplets that solidify into highly spherical powder. It avoids crucibles/nozzles, reducing contamination and satellites versus gas atomization, yielding narrower PSD and lower O/N pickup.
2) What alloys are best suited for PREP?
- Reactive and high‑purity alloys such as titanium and Ti alloys (Ti‑6Al‑4V/ELI), Ni‑based superalloys (IN718, FGH95), CoCr, stainless steels, and refractory metals (Ta, Nb, Mo, W). Electrode‑manufacturable alloys with adequate ductility and cleanliness perform best.
3) Which PREP parameters most influence particle size distribution (PSD)?
- Rod rotation speed and diameter (centrifugal force), plasma arc power/current, stand‑off distance plasma‑to‑rod, electrode feed rate (match melt rate), and plasma gas composition/flow (cooling). Higher speed or larger rod diameter generally produces finer powders; shorter stand‑off and lower current can narrow PSD.
4) What typical quality metrics should buyers request for PREP powder?
- Sphericity (>0.93 typical for PREP), satellites (<1–2% by count), hollow particle fraction (<0.5%), oxygen/nitrogen/hydrogen (per alloy spec), apparent/tap density, Hall flow, PSD (e.g., 15–45 µm for LPBF), inclusion analysis, and SEM imagery with ISO 13322‑1 image analysis.
5) Is PREP cost‑competitive for AM feedstock?
- For high‑purity/reactive alloys, PREP often commands a premium vs. gas atomization but can deliver higher AM yield (flowability, lower defects) and reduced post‑processing, lowering total cost of quality for critical aerospace/medical parts.
2025 Industry Trends: Plasma Rotating Electrode Atomizing Powder
- Higher throughput, lower oxygen: Adoption of transfer‑arc torches and inert closed transfer has reduced O content by 10–20% vs. 2023 baselines at similar energy input.
- Vertical PREP platforms: Vertical bar orientation machines reduce vibration at high RPM, enabling finer PSD windows for LPBF (15–45 µm) with fewer satellites.
- Helium‑lean mixes: Argon‑dominant gas with targeted He bursts during start/stop events cuts gas cost while preserving sphericity for Ti alloys.
- Digital powder passports: Lot genealogy now logs electrode heat, RPM profiles, arc power, gas composition, and inline O/N—becoming a qualification requirement.
- Expanded materials: Beta‑Ti and high‑nitrogen stainless grades via nitrogen‑controlled PREP for tailored properties.
2025 Snapshot: PREP Powder KPIs (Indicative)
| KPI | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Sphericity (mean, Ti‑6Al‑4V) | 0.92–0.94 | 0.93–0.95 | 0.94–0.96 | Image analysis per ISO 13322‑1 |
| Hollow particle fraction (%) | 0.5–1.0 | 0.3–0.8 | 0.2–0.5 | Optimized RPM/stand‑off |
| Satellites (count %) | 2–4 | 1–3 | 0.8–2 | Improved cooling profiles |
| Oxygen in Ti‑6Al‑4V powder (wt%) | ≤0.15 | ≤0.14 | ≤0.13 (ELI ≤0.12) | Inert pack‑out, seals |
| AM‑grade yield (15–45 µm, %) | 28–34 | 30–36 | 32–40 | Tighter sieving/controls |
| Energy per kg powder (kWh/kg) | 9–12 | 8–11 | 7-10 | Transfer‑arc efficiency |
| Lead time (weeks) | 6–10 | 5–9 | 5–8 | Added capacity |
Sources:
- ISO/ASTM 52907 (metal powder feedstock) and 52904 (LPBF of metals): https://www.iso.org
- ASTM E1019/E1409/E1447 for O/N/H; B212/B213/B214 for flow/density: https://www.astm.org
- NIST AM‑Bench powder metrology: https://www.nist.gov/ambench
- OEM and application notes from PREP/atomizer vendors and aerospace/medical specifications
Latest Research Cases
Case Study 1: Vertical PREP for Low‑Oxygen Ti‑6Al‑4V ELI AM Powder (2025)
Background: A medical implant producer needed lower oxygen and fewer satellites to meet fatigue targets for porous EBM acetabular cups.
Solution: Deployed vertical PREP with transfer‑arc mode, argon‑dominant shielding and He pulses at ignition; implemented closed, inert powder transfer and inline oxygen analysis; tuned RPM and stand‑off to target 15–45 µm.
Results: O reduced from 0.135→0.120 wt%; satellites 2.6%→1.1%; AM‑grade yield +6 ppt; HCF life of finished parts +22% versus prior powder lot.
Case Study 2: PREP IN718 with Narrow PSD for LPBF Lattice Brackets (2024)
Background: An aerospace supplier saw layer defects from PSD tails using gas‑atomized IN718.
Solution: Switched to PREP IN718 with optimized rod diameter/RPM and multi‑deck sieving; added digital passport logging arc power and PSD by lot.
Results: Layer uniformity improved; CT porosity <0.1%; first‑pass yield +10%; powder cost +8% but total cost of quality −12% due to fewer reprints and reduced HIP rework.
Expert Opinions
- Prof. Amy J. Clarke, Professor of Metallurgy, Colorado School of Mines
- “PREP’s contamination‑free pathway and tight PSD control make it attractive for reactive alloys where fatigue scatter is oxygen‑driven.”
- Dr. Brandon A. Lane, Additive Manufacturing Metrologist, NIST
- “Linking PREP process telemetry—RPM, arc power, gas composition—to powder passports is closing the loop between feedstock and build quality.”
- Katarina Nilsson, VP Technology, Quintus Technologies
- “When PREP powders feed HIP’d AM parts, pore closure is more consistent thanks to fewer hollows and satellites, which lowers defect persistence.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52907 (requirements for metal powder feedstock), 52904 (LPBF), 52931 (polymers, for comparison): https://www.iso.org
- ASTM E1019/E1409/E1447 (O/N/H testing), B212/B213/B214/B527 (powder characterization): https://www.astm.org
- NIST AM‑Bench datasets and measurement science for powder morphology: https://www.nist.gov/ambench
- Senvol Database for machine–material mappings and supplier discovery: https://senvol.com
- Safety guidance for combustible metals (NFPA 484)
- OEM technical libraries and datasheets from leading PREP and AM powder suppliers
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 FAQs tailored to PREP systems; introduced a 2025 KPI table with indicative metrics and sources; provided two recent PREP case studies; included expert viewpoints; compiled standards and tools/resources
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM standards update, major PREP OEMs release new vertical/transfer‑arc platforms, or industry tightens oxygen/satellite limits for AM‑grade powders by >10%**
