Atomizador de eletrodo rotativo de plasma, equipamento de fabricação de pó, preparação, sistema de fabricação de pó
Os pós metálicos podem ser preparados por uma variedade de métodos, como mecânicos (moagem de bolas, moagem, etc.), físicos (atomização) e químicos (redução, eletrólise, métodos de carbonila e deslocamento, etc.). No entanto, para atender aos requisitos da tecnologia SEBM para pós metálicos esféricos, a atomização é o principal método usado para a preparação de pós metálicos, especificamente atomização de água, WA, atomização de gás, GA, atomização de plasma, PA e processo de eletrodo rotativo de plasma, PREP. processo, PREP e, às vezes, hidreto-desidreto, HDH, a fim de reduzir o custo da preparação do pó.
Tecnologia de fabricação de pó PREP
O método de atomização de eletrodo rotativo de plasma usa o arco de plasma como fonte de calor para derreter continuamente a face final de uma barra de metal giratória de alta velocidade, sob a ação da força centrífuga, as gotículas de metal derretido voam e são rapidamente solidificadas sob o efeito de resfriamento de gás inerte (argônio ou hélio) para formar um pó metálico esférico. Comparado à atomização de água e atomização de gás, o método de atomização de eletrodo rotativo de plasma tem uma taxa de resfriamento mais baixa e produz pós com alta esfericidade, boa fluidez, baixo teor de oxigênio e muito poucos pós ocos e satélites. O pó preparado é puro, pois a contaminação do cadinho é evitada. Além disso, o pó preparado por este método tem uma distribuição de tamanho de partícula estreita.
Status do Aplicativo
A tecnologia de pó PREP foi desenvolvida pela Nuclear Metals Corporation nos EUA e relatada em uma patente em 1963 e, em 1974, a tocha de plasma substituiu o arco de eletrodo de tungstênio como fonte de calor e o método de atomização de eletrodo rotativo de plasma (PREP) foi desenvolvido.
Em 1974, a tocha de plasma substituiu o arco de eletrodo de tungstênio como fonte de calor e nasceu o método de atomização por eletrodo rotativo de plasma (PREP). Em 1983, o Instituto de Metalurgia do Pó do Instituto de Metais Não Ferrosos do Noroeste projetou e desenvolveu o primeiro equipamento PREP na China e, posteriormente, várias empresas e instituições chinesas também realizaram pesquisa e desenvolvimento nessa tecnologia. O método PREP, como método de atomização centrífuga, tem as vantagens de boa esfericidade, alta densidade de vibração, boa fluidez, baixo teor de gás e distribuição de tamanho de partícula estreita em comparação com outros métodos. Com mais de 40 anos de desenvolvimento, o método de atomização por eletrodo rotativo de plasma foi rapidamente desenvolvido em termos de melhoria de equipamentos, controle de processo e qualidade do pó, tornando-se um método indispensável para a preparação de pós metálicos esféricos.
O equipamento PREP geralmente consiste em um sistema de vácuo, um sistema de gás, um sistema de refrigeração, um sistema de alimentação, um gerador de plasma, um dispositivo de alimentação, uma câmara de atomização e um sistema de coleta.
dispositivo de alimentação, câmara de atomização e sistema de coleta. O gás inerte, geralmente argônio, hélio ou uma mistura de argônio e hélio, protege e resfria o pó durante o processo de atomização e é a chave para sua qualidade. As instalações russas de produção de pó geralmente definem a proporção de hélio para argônio em 4:1.
A tocha de plasma geralmente funciona em dois modos, o modo de arco de transferência e o modo de arco sem transferência, os equipamentos russos utilizam principalmente o modo de arco sem transferência, ou seja, o arco é gerado entre o eletrodo e o bico. A Xi'an Sailong Metals usa o modo de operação de arco de transferência, que permite que mais calor seja transferido para a barra, aumentando a taxa de fusão da face final da barra e melhorando a eficiência da produção.
Nos últimos anos, a Xi'an Sailong Metals desenvolveu o primeiro SLPA-V de grau industrial vertical Máquina PREP no mundo. Esta máquina possui uma estrutura de colocação de barra de eletrodo vertical, que reduz a vibração durante a operação, aumenta a velocidade de trabalho e garante uma produção estável de pó de alta qualidade.
Além disso, a planta de atomização de eletrodo rotativo de plasma de mesa SLPA-D com uma velocidade de trabalho de até 60.000 rpm é adequada para o desenvolvimento e produção de pós metálicos esféricos de alta qualidade em pequenos lotes e em muitas variedades. A máquina SLPA-H PREP de nível industrial possui uma nova estrutura de vedação dinâmica, que pode fornecer suporte de energia para a rotação de alta velocidade de hastes de eletrodos de grande diâmetro. O novo sistema de acionamento rotativo e fonte de alimentação de eletrodos de alto torque e alta velocidade pode ser usado para o desenvolvimento e produção de eletrodos de Φ75 mm a 13.000 a 18.000 rpm.
O novo acionamento de rotação da haste de alto torque e alta velocidade e sistema de fonte de alimentação permite a operação normal da haste de Φ75 mm a 13.000-18.000 r/min e fonte de alimentação estável em altas correntes de 3.000 A.
Tamanho de partícula do pó metálico PREP
O tamanho de partícula do pó e sua distribuição é uma das preocupações mais importantes para aplicações subsequentes e muitas vezes afeta as propriedades do pó e, em última análise, a qualidade da peça formada, portanto, os parâmetros do processo PREP devem ser razoavelmente determinados para que a distribuição do tamanho de partícula fique tanto quanto possível dentro do intervalo necessário.
Em geral, os principais parâmetros do processo que influenciam a distribuição do tamanho das partículas do pó são o material da barra do eletrodo, a velocidade de rotação da barra do eletrodo, o diâmetro da barra, a potência da pistola de plasma, a taxa de alimentação, a distância entre a pistola de plasma e a barra. , o fluxo de gás de plasma, etc. No processo de fabricação de pó PREP, as gotas são lançadas quando a força centrífuga é maior que a tensão superficial, portanto, aumentar a velocidade de rotação da haste do eletrodo ou aumentar o diâmetro da haste do eletrodo para aumentar a força centrífuga pode tornar o tamanho de partícula do pó menor. Além disso, a taxa de fusão na face final da barra deve ser o mais igual possível à taxa de alimentação. Se a taxa de fusão for maior que a taxa de alimentação, ocorrerá a quebra do arco, se a taxa de alimentação for maior que a taxa de fusão, ocorrerá uma fusão ruim, formando bordas soltas e outros problemas. A distância entre a pistola de plasma e a barra afetará o superaquecimento do pó e o fluxo de gás de plasma afetará o efeito de resfriamento. Verificou-se que o tamanho médio das partículas do pó está relacionado principalmente com a barra.
Quanto maior a velocidade ou diâmetro da barra, mais fino será o pó quando o material tiver um determinado tamanho, enquanto a distribuição do tamanho das partículas está relacionada à velocidade da barra, à corrente e à distância entre a pistola de plasma e a extremidade da barra, etc. Aumentar a velocidade, diminuir a corrente ou a distância entre a pistola de plasma e a extremidade da barra estreitará a curva de distribuição do tamanho das partículas.
Quando os materiais são diferentes, o tamanho médio das partículas e sua distribuição geralmente estão relacionados a fatores como a densidade e a tensão superficial do material.
Preparação e aplicação do pó PREP
O desenvolvimento da tecnologia PREP possibilitou a preparação de um número crescente de novos materiais em pó. Os tipos de pós envolvidos são ligas de titânio, aço 1018, aço com alto teor de nitrogênio, Ni-Ti-Fe, Inconel 718, FGH95, Ti, TiNb, etc.
A maioria dos pós produzidos pela Xi'an Sailong são pó de liga de titânio, pó de liga de alta temperatura e pó de aço inoxidável.
Até agora, pó de liga de titânio, pó de liga de alta temperatura à base de cobalto, pó de liga de alta temperatura à base de níquel, pó de metal refratário (por exemplo, W, Mo Ta, Nb e suas ligas), pó de aço inoxidável e pó de liga de alumínio e prata pó de liga, etc., e o pó tem excelente desempenho e pode ser produzido após Os pós são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, máquinas e campos biomédicos após serem fabricados ou prensados isostaticamente a quente.
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%**
