[發明專利]一種制備水冷銅坩堝的3D打印裝置及方法

有效

• 申請號: 202010764193.3
• 申請日: 2020-08-02
• 公開（公告）號: CN111872389B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 曹峻銘
• 申請（專利權）人: 曹峻銘
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/24;B22F5/10;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y80/00
• 代理公司: 北京嘉途睿知識產權代理事務所(普通合伙) 11793
• 代理人: 彭成

本發明公開了一種制備水冷銅坩堝的3D打印裝置及方法，包括能量束發生器15、掃描系統16、成型系統17、供粉系統18、吹掃回收系統和控制系統19、冷卻加壓系統；所述冷卻加壓系統用于提供真空或者惰性氣環境，同時具有快速冷卻和施加等靜壓的作用。本發明的水冷銅坩堝的3D打印裝置及方法，能夠生產具有復雜冷卻水路的坩堝，且生產的冷卻水銅坩堝，結構緊湊，材質致密，結構強度高，同時減小了惰性氣體的使用。此外，用3D打印技術制備水冷銅坩堝，能夠使工序減少，加工難度減小，制造成本降低，而且成品的質量可靠。

技術領域

本發明涉及一種制備水冷銅坩堝的3D打印裝置及方法。

背景技術

懸浮熔煉技術是當代最先進的材料制備技術之一，這是一種在真空或惰性氣體保護下用電磁場進行感應熔煉的技術。水冷銅坩堝是實現這種技術最核心的裝置，它是容納金屬材料并且使金屬材料在其中熔化的容器。冷卻坩堝的冷卻液一般采用水，但是，也可以采用其它種類的冷卻液，例如液氮、液氬等。下文出現的“水”、“冷卻水”、“水冷”等詞語所提到的“水”，也包括其它冷卻液。

水冷銅坩堝的結構包括以下幾部分(如圖1、圖2所示)：

坩堝體01——這是坩堝的主體，它全部用高純紫銅材料制備，其結構包括坩堝壁02和坩堝底03兩個組成部分。為了讓電磁場能進入坩堝的內部，坩堝壁02和坩堝底03必須分隔成若干相互絕緣的坩堝瓣片04，一般分10～30瓣。為了使銅質坩堝能承受被熔煉材料的高溫，在坩堝的每一個坩堝瓣片04中都要有作為水路的孔洞，以便用冷卻液冷卻坩堝。

水路管07——它們是連接坩堝體01水路孔06與水套08的銅質連接管，每一個坩堝瓣片04需要配備1支或兩支水路管07。水路管分供水水路管和回水水路管兩類。

水套08——它是集中若干水路管07的冷卻水的容器，它一般分為兩層——供水層和回水層。供水層配備有供水管接口09，冷卻液進入從水套08的供水層后，通過供水水路管進入坩堝體01的水路孔06；回水層配備有回水管接口10，從坩堝體01的水路孔出來的回水，通過回水水路管進入水套08的回水層通過回水管接口引入冷卻系統。

從上可見，懸浮熔煉的水冷銅坩堝其結構相當復雜，用傳統的加工方法制造這樣結構的坩堝，需要的制造工序多，技術難度大，加工周期長，產品成本高：在完成坩堝整體形狀的車、銑、磨等機加工工序之后，首先要用線切割的辦法將坩堝分割成若干瓣片，瓣片的間隙要嚴格保證，而且在不同部位間隙要有變化，在特定部位還必須相互連接。對于尺寸略大的坩堝，瓣片數達到數十片，高度超過0.5m，由于銅材的切割難度比較大，所以完成這樣的切割工作需要超過30天的時間。在完成切割之后需要在每一個瓣片中沿瓣片的高度方向鉆孔。由于瓣片的厚度小，高度大，所以孔洞即細又長，垂直度必須嚴格，而且數量很多。以內徑60mm的坩堝為例，它有需要制備16個φ6×100mm的細孔，垂直度偏差要≤0.1mm；內徑200mm的坩堝需要制備32個φ15×320mm的深孔，要求垂直度偏差≤0.3mm。在這些工作之后，需要將數十支水路管牢固地焊接在坩堝水路孔的端部，再制作水套，將水路管焊接到水套上。各個孔洞之間的間隙很小，在小尺寸坩堝的情況下，間隙只有0.5～1.0mm，焊料必須嚴密，而且不能將相鄰的瓣片連接。所以焊接的難度很大，而且焊接工作量大。進行這樣的焊接工作一般都采用銀銅焊技術。加工的難度還表現在坩堝的水路孔要從坩堝壁向坩堝底延伸(圖1)，所以，瓣片中的孔洞需要形成一定的角度，例如90°～150°；還有，在相鄰瓣片的特定部位需要孔洞在橫向相互連通，以便水路在瓣片之間形成回路(圖2)，甚至，一些坩堝中的冷卻水道并非為常規的直管道，而是具有一定彎曲或者不規則形狀的管道，增加了加工難度。這些工作大幅度增加了鉆孔和焊接的工作量和難度。最后水冷銅坩堝的技術難度還在于，坩堝結構的安全性必須絕對可靠，加工和焊接的微細缺欠會造成坩堝在使用過程滲水，漏水，冷卻液與坩堝中的高溫金屬液相接觸會引起嚴重的事故。所以，對切割、鉆孔和焊接的精度和可靠性的要求必須特別嚴格。