一種雷射加熱定向凝固裝置的製作方法
2023-05-03 17:49:01 1
專利名稱：一種雷射加熱定向凝固裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料加工工程領域，具體是一種可實現高熔點材料定向凝固的裝置。
背景技術：
定向凝固方法在材料組織、性能研究中，以及先進材料製備技術中都佔有很高地 位。可以將工業生產中複雜的凝固現象抽象出來，通過可控的參數諸如溫度梯度、凝固速率 等定量描述材料的凝固行為，為人們深刻認識材料的組織形成及組織與性能的關係創造了 條件。另外，定向凝固也是現在先進材料的製備方法中重要的環節，例如單晶高溫合金、單 晶半導體材料、離子導體、非線性光學元件等材料的製備都要經過定向凝固過程。傳統的定向凝固方法包括坩堝下降法及提拉法等。坩堝下降法定向凝固裝置由坩 堝、環形發熱體、抽拉系統組成。發熱體固定，抽拉系統安裝發熱體下方，坩堝置於環形發熱 體中，放置於抽拉系統上方，工作時通過將坩堝拉出環形發熱體產生的熱區實現定向凝固。 提拉法定向凝固裝置包括坩堝、籽晶及提拉系統組成。坩堝固定，籽晶裝在提拉系統下方， 與提拉系統一起裝在坩堝上方。工作時先使籽晶接觸到坩堝中的熔體，隨後緩慢旋轉並提 拉籽晶從而實現定向凝固。以上兩種定向凝固裝置溫度梯度均在lOK/cm左右，溫度梯度不 足，凝固速率緩慢。區熔定向凝固的溫度梯度普遍高於其他裝置。感應區熔定向凝固裝置主要由單匝 線圈和抽拉系統組成。將預製體放在單匝水冷線圈中間，在線圈中通入高頻交變電流，使得 預製體局部產生強烈渦流生熱，使預製體區熔，熔區依靠金屬液表面張力以及電磁力與重 力相平衡，維持穩定的形狀，並通過預製體與線圈的相對移動實現預製體定向凝固。其溫度 梯度在60 150K/cm，溫度梯度不足，凝固速率緩慢，無法直接對不導電高熔點材料實現定 向凝固。電子束懸浮區熔裝置主要有電子槍及抽拉系統組成。以高速電子的轟擊加熱預 制體使其區熔，並通過預製體與電子槍的相對移動實現預製體定向凝固。其溫度梯度為 350 500K/cm，溫度梯度不足，凝固速率緩慢，無法直接對不導電高熔點材料實現定向凝 固。雷射懸浮區熔定向凝固裝置由雷射器和抽拉系統組成，抽拉系統的軸線豎直，激 光器產生的雷射束垂直相交於抽拉系統軸線。其溫度梯度可達104K/cm，在物質凝固行為研 究中，界面形貌是至關重要的信息。傳統的雷射區熔方法中，由於最後階段雷射關閉後熔區 的凝固速率由物質的導熱係數決定，所以對於導熱係數低的物質來說，熔區的凝固速率就 相對較低，導致熔區內的組織與預製體中定向凝固組織差別不大，界面形貌很難被「凍結」。區域熔化液態金屬冷卻定向凝固裝置主要包括發熱體、抽拉系統及液態金屬冷卻 系統，該裝置將作為冷卻介質的液態金屬置於預製體熔區下方並儘量靠近熔區底部，充分 發揮過熱度對溫度梯度的貢獻，提高預製體固相散熱能力從而提高了固液界面前沿溫度梯 度，溫度梯度可達1300K/cm，無法直接對不導電高熔點材料實現定向凝固。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室在公開號為CN101797639A的發明專利中公開了一種局部強化電阻加熱高梯度定向凝固裝置，其結構主要包括鎢桶、鉭環、鎵銦錫合 金及抽拉系統。鎢桶、鉭環、鎵銦錫合金分別由上至下固定並同軸，預製體裝在抽拉系統上， 可以在鎢桶、鉭環、鎵銦錫合金中上下移動。溫度梯度不足，凝固速率緩慢，無法直接對不導 電高熔點材料實現定向凝固。
發明內容為克服現有技術中存在的加熱能力不足的缺陷，本發明提出了一種雷射加熱定向
凝固裝置。本發明提出的雷射加熱定向凝固裝置包括真空室、冷卻水筒、有氣缸的抽拉系統、 定位螺栓、底板和密封圈，其特徵在於，還包括雷射器和作為冷卻介質的液態鎵銦錫合金; 在真空室的側壁上安裝有平透鏡；液態鎵銦錫合金位於冷卻水筒內腔；熔區的下表面與液 態鎵銦錫合金液面之間的距離為1 5mm。雷射器位於真空室一側。所述的冷卻水筒為由內殼體和外殼體組成的雙層圓筒，並由雙層圓筒分別組成了 冷卻水筒的外筒和內筒。冷卻水筒內殼體和外殼體之間的環形空間形成了外筒，並且該外 筒為封閉的腔體，形成了循環冷卻水的循環通路。冷卻水筒內殼體所圍成的內孔構成了貫 通的內筒。所述的平透鏡位於冷卻水筒的容器上方，並且平透鏡的軸線垂直於位於兩個夾頭 之間的預製體的軸線。本發明所採取技術方案基礎來源於區域熔化液態金屬冷卻法(Zone melting liquidmetal cooling, ZMLMC)，即將區熔和液態金屬冷卻兩種提高溫度梯度的方法相結 合。在本發明中，將加熱源換成了雷射束，縮短了熔區長度，提高了熔區過熱度；另外相比於 傳統雷射懸浮區熔定向凝固法，本發明利用液態鎵銦錫合金做冷卻介質，提高了材料固相 散熱能力，從而獲得了更高的固液界面前沿溫度梯度，可達105K/cm。本發明通過液態鎵銦錫合金急冷很好的解決了保留固液界面形貌問題，當熔區移 至預製體頂端時，啟動有氣缸的抽拉系統中的氣缸，使預製體以氣缸的設計速度向下迅速 進入液態鎵銦錫合金中進行冷卻，完成預製體的定向凝固，保留固液界面形貌。本發明可對熔點高、不導電的材料進行定向凝固組織演化研究，所得到的氧化物 共晶自生複合材料組織均勻，且細小緻密，定向性好，其力學性能及其它功能都明顯好於其 他定向凝固裝置。其生產的功能材料的尺寸和形狀也能夠滿足各種光電用途，例如固體激 光器、非線性光學元件以及光學光譜的應用。
附圖1是雷射加熱的定向凝固裝置的結構示意圖。其中1.雷射器2.真空室3.平透鏡4.冷卻水筒5.有氣缸的抽拉系統6.定位 螺栓7.底板8.密封圈9.冷卻介質10.冷卻水11.預製體12.熔區
具體實施方式
實施例一本實施例是一種用於l(^K/cm溫度梯度定向凝固裝置，包括雷射器1、真空室2、平透鏡3、冷卻水筒4、有氣缸的抽拉系統5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷卻介質9，在真空 室2的側壁上安裝有平透鏡3 ；冷卻介質9位於冷卻水筒4內腔；熔區12的下表面與冷卻 介質9液面之間的距離為1mm。冷卻介質9採用液態鎵銦錫合金。本實施例的雷射器1位於真空室2 —側。該雷射器1所產生的雷射水平穿過平透 鏡3的中心軸線進入真空室2，並垂直且相交於有氣缸的抽拉系統5的軸線，平透鏡3安裝 在真空室2側壁，底板7固定在冷卻水筒4的下端，由冷卻水筒4的內孔與底板7形成了盛 裝冷卻介質9的容器。預製體11的兩端分別裝入位於有氣缸的抽拉系統5上夾頭和下夾 頭一端端面中心的盲孔內，並旋緊定位螺栓6將預製體緊固定位。預製體11與有氣缸的抽 拉系統5下夾頭配合一端位於冷卻水筒4內、冷卻介質9的液面下；預製體11與有氣缸的 抽拉系統5上夾頭配合一端位於冷卻水筒4上方。有氣缸的抽拉系統5下夾頭的杆穿過真 空室2和底板7中心的圓孔，並通過密封圈8密封。有氣缸的抽拉系統5包括上夾頭和下夾頭；在上夾頭和下夾頭一端的端面中心均 有盲孔，該盲孔的內徑略大於預製體11的外徑。冷卻水筒4為中空雙層筒壁的圓筒，冷卻 水筒4的兩層筒壁內形成了冷卻水10的循環通路。在底板7的中心有圓孔，並且孔的內徑 大於有氣缸的抽拉系統5下夾頭的外徑。冷卻水筒4和底板7的外徑相同。平透鏡3位於冷卻水筒4的容器上方，並且平透鏡3的軸線垂直於位於兩個夾頭 之間的預製體11的軸線。熔區12下面距離冷卻介質9的液面為1mm。本實施例的真空室2和有氣缸的抽拉系統5和底板7中心孔，以及冷卻水筒4的 中心同軸。實施例二本實施例是一種用於105K/cm溫度梯度的雷射加熱定向凝固裝置，包括雷射器1、 真空室2、平透鏡3、冷卻水筒4、抽拉系統5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷卻介質9，在真 空室2的側壁上安裝有平透鏡3 ；冷卻介質9位於冷卻水筒4內腔；熔區12的下表面與冷 卻介質9液面之間的距離為5mm。冷卻介質9採用液態鎵銦錫合金。本實施例的雷射器1所產生的雷射水平穿過平透鏡3的軸線進入真空室2，並垂直 且相交於真空室2的軸線。平透鏡3安裝在真空室2的側壁上，並且該平透鏡3的位置與 雷射器1所產生雷射束的位置對應並處於同一水平面。底板7固定在冷卻水筒4的下端， 由冷卻水筒4的內筒與底板7形成了盛裝冷卻介質9的容器。預製體11的兩端分別裝入 位於抽拉系統5上夾頭和下夾頭一端端面中心的盲孔內，並通過定位螺栓6將預製體緊固 定位。預製體11 一端與抽拉系統5下夾頭配合，位於冷卻水筒4內、冷卻介質9的液面下； 預製體11與抽拉系統5上夾頭配合一端位於冷卻水筒4上方。抽拉系統5下夾頭的杆穿 過真空室2和底板8中心的圓孔，並通過密封圈8密封。冷卻水筒4為由內殼體和外殼體組成的雙層圓筒，並由雙層圓筒分別組成了冷卻 水筒4的外筒和內筒。冷卻水筒4內殼體和外殼體之間的環形空間形成了外筒，並且該外 筒為封閉的腔體，用於盛裝循環冷卻水10 ；冷卻水筒4內殼體鎖未成的內孔構成了貫通的 內筒。抽拉系統5包括上夾頭和下夾頭；在上夾頭和下夾頭一端的端面中心均有盲孔， 該盲孔的內徑略大於預製體11的外徑。冷卻水筒4為中空雙層筒壁的圓筒，冷卻水筒4的 兩層筒壁內形成了冷卻水10的循環通路。在底板7的中心有圓孔，並且孔的內徑大於抽拉系統5下夾頭的外徑。冷卻水筒4和底板7的外徑相同。平透鏡3位於冷卻水筒4的容器上方，並且平透鏡3的軸線垂直於位於兩個夾頭 之間的預製體11的軸線。本實施例的真空室2和抽拉系統5和底板7中心孔，以及冷卻水筒4的中心同軸。實施例三本實施例是一種用於105K/cm溫度梯度的雷射加熱定向凝固裝置，包括雷射器1、 真空室2、平透鏡3、冷卻水筒4、抽拉系統5、定位螺栓6、底板7、密封圈8、冷卻介質9，在真 空室2的側壁上安裝有平透鏡3 ；冷卻介質9位於冷卻水筒4內腔；熔區12的下表面與冷 卻介質9液面之間的距離為3mm。冷卻介質9採用液態鎵銦錫合金。本實施例的雷射器1所產生的雷射水平穿過平透鏡3的軸線進入真空室2，並垂直 且相交於真空室2的軸線。平透鏡3安裝在真空室2的側壁上，並且該平透鏡3的位置與 雷射器1所產生雷射束的位置對應並處於同一水平面。底板7固定在冷卻水筒4的下端， 由冷卻水筒4的內筒與底板7形成了盛裝冷卻介質9的容器。預製體11的兩端分別裝入 位於抽拉系統5上夾頭和下夾頭一端端面中心的盲孔內，並通過定位螺栓6將預製體緊固 定位。預製體11 一端與抽拉系統5下夾頭配合，位於冷卻水筒4內、冷卻介質9的液面下； 預製體11與抽拉系統5上夾頭配合一端位於冷卻水筒4上方。抽拉系統5下夾頭的杆穿 過真空室2和底板8中心的圓孔，並通過密封圈8密封。冷卻水筒4為由內殼體和外殼體組成的雙層圓筒，並由雙層圓筒分別組成了冷卻 水筒4的外筒和內筒。冷卻水筒4內殼體和外殼體之間的環形空間形成了外筒，並且該外 筒為封閉的腔體，用於盛裝循環冷卻水10 ；冷卻水筒4內殼體鎖未成的內孔構成了貫通的 內筒。抽拉系統5包括上夾頭和下夾頭；在上夾頭和下夾頭一端的端面中心均有盲孔， 該盲孔的內徑略大於預製體11的外徑。冷卻水筒4為中空雙層筒壁的圓筒，冷卻水筒4的 兩層筒壁內形成了冷卻水10的循環通路。在底板7的中心有圓孔，並且孔的內徑大於抽拉 系統5下夾頭的外徑。冷卻水筒4和底板7的外徑相同。平透鏡3位於冷卻水筒4的容器上方，並且平透鏡3的軸線垂直於位於兩個夾頭 之間的預製體11的軸線。本實施例的真空室2和抽拉系統5和底板7中心孔，以及冷卻水筒4的中心同軸。
權利要求1.一種雷射加熱定向凝固裝置，包括真空室O)、冷卻水筒G)、抽拉系統(5)、定位螺 栓(6)、底板(7)、底板(8)和密封圈(8)，其特徵在於，所述的雷射加熱定向凝固裝置還包 括雷射發生器(1)，並且該雷射發生器(1)位於真空室(2) —側；平透鏡(3)安裝在真空室 (2)的側壁上，並且該平透鏡(3)的位置與雷射發生器(1)所產生雷射束的位置對應並處於 同一水平面；冷卻介質(9)位於冷卻水筒內筒中；熔區(13)的下表面與冷卻介質(9) 液面之間的距離為1 5mm ；底板(7)固定在冷卻水筒⑷的下端，由冷卻水筒⑷的內筒 與底板(7)形成了盛裝冷卻介質(9)的容器。
2.如權利要求1所述一種雷射加熱定向凝固裝置，其特徵在於，所述的冷卻水筒(4) 為由內殼體和外殼體組成的雙層圓筒，並由雙層圓筒分別組成了冷卻水筒的外筒和內 筒；冷卻水筒內殼體和外殼體之間的環形空間形成了外筒，並且該外筒為封閉的腔體， 形成了冷卻水(10)的循環通路；冷卻水筒(4)內殼體鎖未成的內孔構成了貫通的內筒。
3.如權利要求1所述一種雷射加熱定向凝固裝置，其特徵在於，所述的平透鏡(3)位於 冷卻水筒的容器上方，並且平透鏡(3)的軸線垂直於位於兩個夾頭之間的預製體(11) 的軸線。
專利摘要一種雷射加熱定向凝固裝置，包括真空室、冷卻水筒、有氣缸的抽拉系統、雷射器和作為冷卻介質的液態鎵銦錫合金。真空室的側壁上安裝有平透鏡。液態鎵銦錫合金位於冷卻水筒內腔；熔區的下表面與液態鎵銦錫合金液面之間的距離為1～5mm。平透鏡位於冷卻水筒的容器上方，並且平透鏡的軸線垂直於位於兩個夾頭之間的試樣的軸線。本實用新型的加熱源採用雷射束，縮短了熔區長度，提高了熔區過熱度。用液態鎵銦錫合金做冷卻介質，提高了材料固相散熱能力，所獲得的固液界面前沿溫度梯度達105K/cm，所得到的氧化物共晶自生複合材料組織均勻，力學性能及其它功能都優於其他定向凝固裝置，生產的功能材料的尺寸和形狀能夠滿足各種光電元器件的應用。
文檔編號C30B13/16GK201842899SQ20102059624
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者傅恆志, 劉林, 宋衎, 張軍, 蘇海軍 申請人:西北工業大學