플라즈마 회전 전극 분무 분말 제조 시스템이란 무엇입니까?

플라즈마 회전 전극 분무, 분말 제조 장비, 준비, 분말 제조 시스템

금속 분말은 기계적(볼 밀링, 분쇄 등), 물리적(원자화), 화학적(환원, 전기 분해, 카보닐 및 변위법 등) 등 다양한 방법으로 제조할 수 있습니다. 그러나 구형 금속 분말에 대한 SEBM 기술의 요구 사항을 충족하기 위해 분무화는 금속 분말의 제조에 사용되는 주요 방법이며, 특히 물 분무화, WA, 가스 분무화, GA, 플라즈마 분무화, PA 및 플라즈마 회전 전극 공정, PREP. 공정 및 때로는 분말 제조 비용을 절감하기 위해 수화물-탈수화물, HDH를 사용하는 경우가 있습니다.

PREP 파우더 제조 기술

플라즈마 회전 전극 분무 방법은 플라즈마 아크를 열원으로 사용하여 고속 회전 금속 막대의 끝면을 지속적으로 녹이고 원심력의 작용으로 녹은 금속 방울이 날아가고 불활성 가스 (아르곤 또는 헬륨)의 냉각 효과로 빠르게 응고되어 구형 금속 분말을 형성합니다. 물 분무 및 가스 분무에 비해 플라즈마 회전 전극 분무 방식은 냉각 속도가 낮고 구형도가 높고 유동성이 좋으며 산소 함량이 낮고 중공 및 위성 분말이 거의 없는 분말을 생산합니다. 도가니의 오염이 방지되므로 준비된 분말은 순수합니다. 또한 이 방법으로 제조된 분말은 입자 크기 분포가 좁습니다.

신청 현황

PREP 분말 기술은 미국 원자력 금속공사에서 처음 개발하여 1963년 특허로 보고되었고, 1974년 플라즈마 토치가 텅스텐 전극 아크를 열원으로 대체하여 플라즈마 회전 전극 원자화(PREP) 방식이 개발되었습니다.

1974년 플라즈마 토치가 텅스텐 전극 아크를 열원으로 대체하고 플라즈마 회전 전극 원자화(PREP) 방식이 탄생했습니다. 1983년 북서 비철금속연구소의 분말 야금 연구소에서 중국 최초의 PREP 장비를 설계 및 개발했으며, 이후 많은 중국 기업과 기관에서도 이 기술에 대한 연구 개발을 수행했습니다. 원심 분무 방식인 PREP 방식은 다른 방식에 비해 구형성, 높은 활력 밀도, 우수한 유동성, 낮은 가스 함량 및 좁은 입자 크기 분포의 장점을 가지고 있습니다. 40년 이상의 개발을 통해 플라즈마 회전 전극 분무법은 장비 개선, 공정 제어 및 분말 품질 측면에서 빠르게 발전했으며 구형 금속 분말 제조에 없어서는 안 될 방법이 되었습니다.

PREP 장비는 일반적으로 진공 시스템, 가스 시스템, 냉각 시스템, 전원 공급 시스템, 플라즈마 발생기, 공급 장치, 분무 챔버 및 수집 시스템으로 구성됩니다.

공급 장치, 분무 챔버 및 수집 시스템. 일반적으로 아르곤, 헬륨 또는 아르곤과 헬륨의 혼합물인 불활성 가스는 분무 공정 중에 분말을 보호하고 냉각하며 품질에 핵심적인 역할을 합니다. 러시아 분말 생산 시설에서는 일반적으로 헬륨과 아르곤의 비율을 4:1로 설정합니다.

플라즈마 토치는 일반적으로 전달 아크 모드와 비 전달 아크 모드의 두 가지 모드로 작동하며 러시아 장비는 주로 비 전달 아크 모드, 즉 전극과 노즐 사이에서 아크가 생성됩니다. Xi’an Sailong Metals는 봉재에 더 많은 열을 전달하여 봉재 끝면의 용융 속도를 높이고 생산 효율성을 향상시키는 전사 아크 작동 모드를 사용합니다.

최근 몇 년 동안 Xi’an Sailong Metals는 최초의 수직 산업 등급 SLPA-V를 개발했습니다. 준비 기계 세계 최고 수준입니다. 이 기계는 수직 전극 바 배치 구조로 작동 중 진동을 줄이고 작업 속도를 높이며 고품질 분말을 안정적으로 생산할 수 있습니다.

또한 최대 60,000rpm의 작업 속도를 갖춘 탁상형 플라즈마 회전 전극 분무 설비 SLPA-D는 소량 및 다양한 종류의 고품질 구형 금속 분말의 개발 및 생산에 적합합니다. 산업용 등급의 SLPA-H PREP 기계는 새로운 동적 씰 구조로 대구경 전극봉의 고속 회전을 위한 동력 지원을 제공할 수 있습니다. 새로운 고토크 고속 전극 회전 드라이브 및 전원 공급 시스템은 13,000~18,000rpm에서 Φ75mm 전극의 개발 및 생산에 사용할 수 있습니다.

새로운 고토크, 고속 로드 회전 드라이브 및 전원 공급 시스템을 통해 Φ75mm 로드를 13,000-18,000 r/min으로 정상 작동하고 3000A의 고전류에서도 안정적인 전원 공급이 가능합니다.

PREP 금속 분말의 입자 크기

분말의 입자 크기와 그 분포는 후속 응용 분야에서 가장 중요한 관심사 중 하나이며 분말 특성과 궁극적으로 성형 부품의 품질에 영향을 미치는 경우가 많으므로 입자 크기 분포가 가능한 한 필요한 범위 내에 있도록 PREP 공정 파라미터를 합리적으로 결정해야 합니다.

일반적으로 분말의 입자 크기 분포에 영향을 미치는 주요 공정 파라미터는 전극봉 재료, 전극봉 회전 속도, 봉 직경, 플라즈마 건 출력, 이송 속도, 플라즈마 건과 봉 사이의 거리, 플라즈마 가스 유량 등입니다. PREP 분말 제조 공정에서는 원심력이 표면장력보다 클 때 방울이 배출되므로 전극봉 회전 속도를 높이거나 전극봉 직경을 늘려 원심력을 높이면 분말 입자 크기가 작아질 수 있습니다. 또한 봉재 끝면의 용융 속도는 이송 속도와 가능한 한 같아야 합니다. 용융 속도가 이송 속도보다 크면 아크 파손이 발생하고 이송 속도가 용융 속도보다 크면 용융 불량이 발생하여 플라잉 에지 및 기타 문제가 발생합니다. 플라즈마 건과 바 사이의 거리는 분말의 과열에 영향을 미치고 플라즈마 가스 흐름은 냉각 효과에 영향을 미칩니다. 분말의 평균 입자 크기는 주로 바와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다.

바 속도 또는 직경이 클수록 재료가 특정 크기일 때 분말이 더 미세해지며, 입자 크기 분포는 바 속도, 전류 및 플라즈마 건과 바 끝 사이의 거리 등과 관련이 있습니다. 속도를 높이거나 전류 또는 플라즈마 건과 봉재 끝 사이의 거리를 줄이면 입자 크기 분포 곡선이 좁아집니다.

재료가 다른 경우 평균 입자 크기와 그 분포는 종종 재료의 밀도 및 표면 장력과 같은 요소와 관련이 있습니다.

파우더 제조 및 적용 준비

PREP 기술의 발달로 점점 더 많은 신소재 분말을 제조할 수 있게 되었습니다. 관련된 분말의 유형은 티타늄 합금, 1018 강철, 고질소 강철, Ni-Ti-Fe, 인코넬 718, FGH95, Ti, TiNb 등입니다.

Xi’an Sailong에서 생산하는 대부분의 분말은 티타늄 합금 분말, 고온 합금 분말 및 스테인리스 스틸 분말입니다.

   지금까지 티타늄 합금 분말, 코발트계 고온 합금 분말, 니켈계 고온 합금 분말, 내화 금속 분말 (예 : W, Mo Ta, Nb 및 그 합금), 스테인리스 스틸 분말 및 알루미늄 합금 분말 및 은 합금 분말 등, 분말은 성능이 우수하고 제조 후 생산이 가능하며 분말은 항공 우주, 기계 및 생물 의학 분야에서 널리 사용되거나 고온 등압 압착 후 생산됩니다.

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)	참고
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%**