[发明专利]一种制备水冷铜坩埚的3D打印装置及方法

说明书

本发明公开了一种制备水冷铜坩埚的3D打印装置及方法，包括能量束发生器15、扫描系统16、成型系统17、供粉系统18、吹扫回收系统和控制系统19、冷却加压系统；所述冷却加压系统用于提供真空或者惰性气环境，同时具有快速冷却和施加等静压的作用。本发明的水冷铜坩埚的3D打印装置及方法，能够生产具有复杂冷却水路的坩埚，且生产的冷却水铜坩埚，结构紧凑，材质致密，结构强度高，同时减小了惰性气体的使用。此外，用3D打印技术制备水冷铜坩埚，能够使工序减少，加工难度减小，制造成本降低，而且成品的质量可靠。

技术领域

本发明涉及一种制备水冷铜坩埚的3D打印装置及方法。

背景技术

悬浮熔炼技术是当代最先进的材料制备技术之一，这是一种在真空或惰性气体保护下用电磁场进行感应熔炼的技术。水冷铜坩埚是实现这种技术最核心的装置，它是容纳金属材料并且使金属材料在其中熔化的容器。冷却坩埚的冷却液一般采用水，但是，也可以采用其它种类的冷却液，例如液氮、液氩等。下文出现的“水”、“冷却水”、“水冷”等词语所提到的“水”，也包括其它冷却液。

水冷铜坩埚的结构包括以下几部分(如图1、图2所示)：

坩埚体01——这是坩埚的主体，它全部用高纯紫铜材料制备，其结构包括坩埚壁02和坩埚底03两个组成部分。为了让电磁场能进入坩埚的内部，坩埚壁02和坩埚底03必须分隔成若干相互绝缘的坩埚瓣片04，一般分10～30瓣。为了使铜质坩埚能承受被熔炼材料的高温，在坩埚的每一个坩埚瓣片04中都要有作为水路的孔洞，以便用冷却液冷却坩埚。

水路管07——它们是连接坩埚体01水路孔06与水套08的铜质连接管，每一个坩埚瓣片04需要配备1支或两支水路管07。水路管分供水水路管和回水水路管两类。

水套08——它是集中若干水路管07的冷却水的容器，它一般分为两层——供水层和回水层。供水层配备有供水管接口09，冷却液进入从水套08的供水层后，通过供水水路管进入坩埚体01的水路孔06；回水层配备有回水管接口10，从坩埚体01的水路孔出来的回水，通过回水水路管进入水套08的回水层通过回水管接口引入冷却系统。

从上可见，悬浮熔炼的水冷铜坩埚其结构相当复杂，用传统的加工方法制造这样结构的坩埚，需要的制造工序多，技术难度大，加工周期长，产品成本高：在完成坩埚整体形状的车、铣、磨等机加工工序之后，首先要用线切割的办法将坩埚分割成若干瓣片，瓣片的间隙要严格保证，而且在不同部位间隙要有变化，在特定部位还必须相互连接。对于尺寸略大的坩埚，瓣片数达到数十片，高度超过0.5m，由于铜材的切割难度比较大，所以完成这样的切割工作需要超过30天的时间。在完成切割之后需要在每一个瓣片中沿瓣片的高度方向钻孔。由于瓣片的厚度小，高度大，所以孔洞即细又长，垂直度必须严格，而且数量很多。以内径60mm的坩埚为例，它有需要制备16个φ6×100mm的细孔，垂直度偏差要≤0.1mm；内径200mm的坩埚需要制备32个φ15×320mm的深孔，要求垂直度偏差≤0.3mm。在这些工作之后，需要将数十支水路管牢固地焊接在坩埚水路孔的端部，再制作水套，将水路管焊接到水套上。各个孔洞之间的间隙很小，在小尺寸坩埚的情况下，间隙只有0.5～1.0mm，焊料必须严密，而且不能将相邻的瓣片连接。所以焊接的难度很大，而且焊接工作量大。进行这样的焊接工作一般都采用银铜焊技术。加工的难度还表现在坩埚的水路孔要从坩埚壁向坩埚底延伸(图1)，所以，瓣片中的孔洞需要形成一定的角度，例如90°～150°；还有，在相邻瓣片的特定部位需要孔洞在横向相互连通，以便水路在瓣片之间形成回路(图2)，甚至，一些坩埚中的冷却水道并非为常规的直管道，而是具有一定弯曲或者不规则形状的管道，增加了加工难度。这些工作大幅度增加了钻孔和焊接的工作量和难度。最后水冷铜坩埚的技术难度还在于，坩埚结构的安全性必须绝对可靠，加工和焊接的微细缺欠会造成坩埚在使用过程渗水，漏水，冷却液与坩埚中的高温金属液相接触会引起严重的事故。所以，对切割、钻孔和焊接的精度和可靠性的要求必须特别严格。