等离子旋转电极工艺（PREP）是一种先进的材料加工技术，利用等离子弧和离心力生产高性能材料。这种创新方法结合了等离子弧熔化和离心铸造的优点，与传统加工方法相比，能生产出性能更优越的材料。
等离子旋转电极工艺概述
等离子旋转电极工艺利用一个被等离子弧包围的旋转石墨电极。当电极旋转时，原料不断被等离子弧熔化，并在离心力的作用下从电极顶端甩出。熔化的材料凝固后被收集起来，生产出成品部件或铸锭。
PREP 技术的一些主要优点包括
- 熔化和凝固速度快，可形成精细的微观结构
- 生产传统方法难以或无法生产的合金
- 能够加工反应性材料而不受污染
- 原位合金化和微观结构控制
- 近净成形能力，最大限度减少机加工
与其他等离子熔化方法相比，旋转电极可对加工过程中的热条件进行额外控制。这就实现了量身定制的凝固条件，以优化成品材料的微观结构和性能。
等离子源具有超过 10,000°C 的超高温能力，可熔化任何材料。通过调整等离子功率和其他参数，可以精确控制热条件。这样就可以灵活地设计合金和加工条件。
用于 3D 打印应用的等离子旋转电极工艺 (PREP) 技术：
- 钛-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb - 优良的强度重量比和生物相容性
- 可控制粒度分布的超细粉末
- AlSi10Mg, AlSi12 - 密度低，具有良好的强度和耐腐蚀性
- 球形形态，粉末流动性高
- 铬镍铁合金 718, Inconel 625 - 出色的高温性能
- 具有精细微观结构的致密 3D 打印部件
工具钢
- H13、P20、420 不锈钢 - 高硬度、耐磨性和耐腐蚀性
- 可加工复杂几何形状的模具组件
- 钨、钽、钼 - 熔点极高
- 适用于辐射屏蔽的高密度粉末
铜合金
- CuCrZr, CuNi2SiCr - 优良的导热性和导电性
- 用于热管理应用
钴铬合金
- CoCrMo, CoCrW - 生物相容性和高强度
- 优化参数后的低内部孔隙率
通过 PREP 生产的球形粉末可实现高密度三维打印部件，具有出色的机械性能，适用于航空航天、医疗、工具等要求苛刻的应用领域。
| 合金系统 | 合金示例 | 主要特性 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 钛合金 | Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb | 高强度重量比、生物相容性 | 航空航天、医疗 |
| 铝合金 | AlSi10Mg, AlSi12 | 密度低、强度高、耐腐蚀 | 汽车、消费品 |
| 镍超合金 | 铬镍铁合金 718、铬镍铁合金 625 | 卓越的高温性能 | 涡轮叶片、火箭喷嘴 |
| 工具钢 | H13、P20、420 不锈钢 | 硬度高、耐磨、耐腐蚀 | 注塑模具、模具 |
| 耐火合金 | 钨、钽、钼 | 极高的熔点 | 辐射屏蔽、高温炉部件 |
| 铜合金 | CuCrZr, CuNi2SiCr | 高导热性和导电性 | 电子冷却、连接器 |
| 钴铬合金 | 钴铬钼合金、钴铬钨合金 | 生物相容性、高强度 | 医疗植入物、牙冠 |
用于等离子旋转电极处理的设备
等离子旋转电极工艺中使用的主要部件包括
等离子割炬
- 通常传输功率为 10-100 千瓦的电弧割炬
- 提供高温等离子弧以熔化进料
- 可使用各种等离子气体 - 氩、氮、氢、氦
旋转电极
- 通常由石墨制成，具有耐高温能力
- 直径和长度取决于零件尺寸
- 转速高达 3000 转/分钟
- 水冷式，可处理高热负荷
模具
- 石墨或铜模，用于塑造沉积材料的形状
- 水冷却，使熔融材料迅速凝固
- 离心力将材料抛射到模具壁上
电源
- 操作等离子割炬的直流电源
- 可在热阴极或冷阴极模式下运行
- 电流范围为 100-1000 A，取决于等离子割炬
真空室
- 为等离子弧提供受控气氛
- 真空或惰性气体环境
控制系统
- 计算机控制等离子参数
- 旋转速度
- 材料进给速度
- 自动化生产
等离子旋转电极工艺的工作原理
等离子旋转电极工艺将离心铸造和等离子弧熔炼结合为一个集成系统。以下是 PREP 的工作原理概述：
- 插入原料 - 电极以高达 3000 rpm 的速度旋转。合金粉等原料被注入旋转电极尖端的熔池中。
- 融化 - 来自周围等离子割炬的等离子弧熔化插入的原料和旋转电极表面的区域。温度超过 10,000°C 可确保快速熔化。
- 熔融材料喷射 - 快速旋转产生的离心力使熔融材料从电极尖端甩出。这就形成了向外扩散的液滴。
- 沉积物的形成 - 喷出的熔融材料撞击电极周围的水冷铜模。液滴迅速凝固，逐渐形成沉积物。
- 量身定制的凝固 - 模具提供的高热传导率可控制凝固方向。这样可以优化沉积结构。
- 收集存款 - 一旦完全成型，成型的沉积物就会从腔室中取出。这可能是一个铸锭、接近净形的部件或其他产品形态。
- 自动化操作 - PREP 系统由计算机全自动控制。它可以在无人看管的情况下运行，以积累大量材料。
- 参数灵活性 - 等离子功率、电极旋转速度和材料进给速度等变量均可调整，以定制沉积特性。
等离子旋转电极加工的独特功能
等离子旋转电极工艺具有一些区别于其他材料加工方法的独特功能：
快速凝固率
- 凝固速度可超过 100,000°C/s
- 可形成非平衡相和可迁移结构
- 将晶粒细化到纳米级
网形制作
- 可将沉积物塑造成接近净形的形状，减少机加工
- 可直接生产复杂的零件几何形状
- 消除额外的处理步骤
反应材料加工
- 等离子弧的封闭性使活性材料在加工过程中不会受到污染
- 可生产钛铝化物等高活性合金
热控制
- 旋转电极可进一步控制热条件
- 实现量身定制的非平衡冷却速率，以控制微观结构
就地合金化
- 可在加工过程中向熔池中加入合金添加剂
- 可灵活设计和生产新型合金
清洁的加工环境
- 真空室提供可控气氛
- 无需坩埚，减少潜在污染
使用 PREP 处理的合金系统
| 合金系统 | 说明 |
|---|---|
| 钛铝化物 | 具有高温特性的基于钛和铝的金属间合金 |
| 散装金属眼镜 | 具有高强度和硬度的非晶合金 |
| 金属基复合材料 | 采用颗粒增强，具有高强度和刚度 |
| 超耐热合金 | 具有优异抗蠕变性能的镍、铁或钴基合金 |
| 工具钢 | 具有高硬度和耐磨性的铁基合金 |
| 难熔金属 | 超高熔点金属，如 W、Mo、Nb、Ta |
等离子旋转电极工艺能够生产多种合金系统，包括
钛铝化物
- 基于钛和铝的金属间合金
- 出色的高温性能和低密度
- 用于航空航天和汽车应用
散装金属眼镜
- 具有超强强度和硬度的非晶合金
- 高冷却速率可形成金属玻璃
- 卓越的工程材料和涂层
金属基复合材料
- 用碳化物、氧化物或其他颗粒强化
- 优异的比强度和刚度
- 用于航空航天、汽车和半导体零件
超耐热合金
- 具有出色抗蠕变性能的镍、铁或钴基合金
- 用于涡轮机和发动机的高温结构
工具钢
- 具有高硬度和耐磨性的铁基合金
- 用于切削工具、模具和其他用途
耐火金属
- 钨、钼、铌、钽等超高熔点金属
- 由于能保持强度，因此可用于高温应用
微观结构与性能提升
PREP 的主要优势之一是能够制造出先进的微结构，从而增强性能。例如
谷物细化
- 可生产极细的纳米级晶粒
- 根据霍尔-佩奇关系，可增加强度
扩展固体溶解性
- 通过快速凝固捕获溶质，扩大固体溶解度
- 改变合金行为，产生新成分
非平衡相
- 可在室温下保留易变相
- 强化沉淀并改变特性
微粒加固
- 原位形成纳米级沉淀和颗粒
- 出色的强化剂和粒度细化剂
消除隔离
- 快速凝固不会产生化学偏析
- 提高合金均匀性并消除缺陷
改进界面
- 快速凝固可实现无污染物界面
- 强化晶界和相间界面
等离子旋转电极加工的优势
PREP 技术的一些主要优势包括
- 多功能性 - 可加工几乎所有合金系统
- 卓越的微观结构 - 实现晶粒细化和微合金化
- 近网状 - 可直接制造复杂的几何形状
- 效率 - 无需动手的自动化操作，生产率高
- 质量 - 提供清洁的加工环境，消除缺陷
- 性能 - 生产具有出色机械性能的合金
- 新型合金 - 可开发独特的可迁移成分
- 成本效益 - 减少原材料浪费，降低加工要求
与其他加工方法相比，PREP 为合金开发和优化材料性能提供了新的可能性。
PREP 生产的合金的应用
利用等离子旋转电极工艺制造的合金已广泛应用于各种要求苛刻的应用领域：
航空航天组件
- 镍和钛合金涡轮叶片、盘和外壳
- 要求在高温下具有高强度和抗蠕变性
切割工具
- 使用合金工具钢的钻头、立铣刀和锯片
- 在加工过程中必须能承受磨损、冲击和高温
生物医学植入物
- 用于整形外科植入物的钛或不锈钢合金
- 优异的耐腐蚀性和生物相容性
汽车零部件
- 发动机部件、传动系统由铝、镁和钛合金制成
- 轻量化和极端条件下的性能
体育用品
- 使用先进合金的高尔夫球杆、自行车和高端装备
- 要求高强度重量比
电子产品
- 用铍复合材料切割的散热器
- 需要热管理能力
核应用
- 核反应堆中使用的强化材料
- 必须在辐射条件下保持性能
PREP 生产的合金的应用
| 行业 | 应用 |
|---|---|
| 航空航天 | 涡轮机部件 |
| 切割工具 | 钻头、锯片 |
| 生物医学 | 植入物 |
| 汽车 | 发动机和传动系统部件 |
| 体育用品 | 俱乐部、自行车、装备 |
| 电子产品 | 散热器 |
| 核电 | 反应堆部件 |
等离子体旋转电极加工研究现状
目前正在多个领域开展研究，以进一步推动 PREP 技术的发展：
- 复杂等离子体与材料相互作用的建模
- 将新型材料和回收材料作为原料
- 用于大型部件生产的多电极配置
- 与增材制造相结合的混合 PREP 工艺
- 开发新的测量诊断方法
- 连接异种合金以制造金属基复合材料
- 探索碳纳米管加固技术
- 工艺的经济和生命周期分析
持续的研究将有助于进一步改进工艺，扩大合金的范围，并开发新的应用。政府机构和私营公司都在积极投资，推动等离子旋转电极加工技术的发展。
PREP 技术的未来展望
等离子旋转电极工艺是材料加工技术的一次创新飞跃。该技术的不断发展和工业界的采用将使下一代高性能合金成为可能。
一些趋势表明 PREP 前景光明：
- 各行各业对特种高级合金的需求与日俱增。PREP 可实现传统方法无法实现的合金成分。
- 净成形和增材制造正得到越来越广泛的应用。PREP 具有接近净成形的能力，在合金灵活性和质量方面超过了其他方法。
- 高产能自动化生产对提高竞争力至关重要。PREP 实现了无需动手的自动化操作和高生产率。
- 关键部件的质量要求越来越严格。PREP 提供了一个高精度、清洁和受控的加工环境。
- 具有增强型工程微结构的合金具有卓越的性能。PREP 释放出具有独特性能的陨变结构。
在这些因素的推动下，PREP 将成为众多领域下一代合金生产的基本技术。预计这一令人兴奋的领域将继续快速增长。
关于等离子旋转电极处理的常见问题：
以下是一些关于等离子旋转电极工艺的常见问题：
PREP 技术的主要优势是什么？
其主要优势包括：凝固速度快，可实现先进的微结构、近净形制造、灵活的合金化能力、清洁的加工环境和自动化生产。
PREP 可以处理哪些材料？
几乎可以加工任何合金系统，包括钛、铝、镁、镍、钴、铁、工具钢和难熔合金。还可以加工纳米复合材料和非晶合金。
PREP 与其他快速成型制造方法相比有何优势？
PREP 可使合金温度更高、晶粒结构更细，并可避免一些孔隙率和各向异性问题。但与粉末床熔融工艺相比，PREP 的几何形状有限。两者是互补的。
哪些行业使用 PREP 生产的合金？
航空航天、生物医学、汽车、体育用品、电子和核工业都在使用 PREP 合金。该技术还用于制造切削工具。
PREP 技术有哪些局限性？
制造零件的尺寸受到电极直径的限制。与其他一些快速成型方法相比，零件几何形状的复杂性也受到限制。初始系统成本相对较高。
PREP 有哪些新进展？
目前的一些研究领域包括多电极系统、混合工艺与增材制造、先进建模、新型原位诊断和合金开发。
PREP 如何改善合金的微观结构和性能？
晶粒细化、析出相保留、溶质捕获、偏析消除、界面改善以及凝固条件的调整，都能提高合金的性能。
运行 PREP 系统需要哪些专业知识？
建议参加专门培训，学习如何正确运行 PREP 设备。冶金学和等离子物理学知识也有助于最大限度地利用该技术。
