一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置的製作方法

2023-05-01 04:55:01

專利名稱：一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料加工工程領域，具體是一種雷射懸浮區熔定向凝固的裝置及定向 凝固方法。
背景技術：
採取高能束進行區熔定向凝固的各種技術由於具有熔煉溫度高、溫度梯度高、凝 固速率控制精度高、材料和環境適應性廣泛、無汙染等特點，現已受到國外眾多學者的高度 重視。區熔定向凝固過程中的固液界面前沿溫度場平直是獲得均勻組織的前提條件，否則 所得預製體的組織及力學性能在宏觀上就會出現大範圍不一致，給實驗結果分析以及材料 應用造成極大障礙。例如在雷射水平區熔試驗中，等溫面形狀不是垂直於凝固方向的平面， 而是曲面，熔區溫度由熔區表面到底部逐漸降低。這就致使預製體從頂部到底部的凝固速 率不同，所得組織也不同，其力學性能也有長程變化，隨後的組織及性能分析就很難與凝固 條件相匹配。所以各國學者及工程技術人員都在尋找能夠使溫場均勻且平直的方法。目前國內雷射定向凝固裝置主要是雷射水平區熔裝置，由雷射器、鏡片組及數控 工具機組成。由鏡片組將雷射器發出的雷射束引至水平放置的數控工具機上方，對水平放置在 工具機上的試樣進行區熔定向凝固。此裝置無法保證等溫面平直。可見光懸浮區熔法可熔化較大尺寸的預製體，由高功率(> 1KW)滷素燈(如氙 燈)發出的光束經鏡面反射後聚焦到試棒表面，試棒向下抽拉實現定向凝固，與此同時，試 棒還需旋轉以改善加熱的均勻性。為了提高雷射加熱的效率並解決雷射懸浮區熔功率密度 集中帶來的預製體應力問題，將試棒在同一位置通過紅外預熱或可見光預熱，得到加熱後 的預製體。雷射基座法定向凝固設備需要將兩束等功率雷射由兩個側上方向聚焦於預製體 上表面，由於上下兩套抽拉裝置的速率不同，即生長纖維速率與進料速率不同，從而生產纖 維。美國NASA格林實驗室的Sayir等人利用兩個高速旋轉的凸輪狀反射鏡，實現了激 光束在預製體表面的高速循環掃描，從而保證溫度場均勻。成功生長出具有均勻組織的定 向凝固氧化物共晶纖維。上述裝置以不同的方式保證固液界面前沿溫度場均勻，但均存在結構複雜，造價 高昂的不足。
發明內容為克服現有技術中結構複雜，造價高昂的不足，本發明提出了一種用於雷射懸浮 區熔定向凝固的裝置。本發明所述的用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置包括雷射器、真空室、抽拉旋轉 系統、電機組和反射鏡，雷射器位於真空室一側。所述的用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置還包括分光鏡、平透鏡、凸透鏡及凸透
3鏡平移裝置；反射鏡包括第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡；分光鏡、第一反射鏡、第 二反射鏡和第三反射鏡依次分布在真空室外；平透鏡有兩個，分別嵌裝在真空室兩側殼體 上，並與熔區位置對應。所述的分光鏡位於真空室一側、雷射器的雷射出口處，並且該分光鏡的中心距離 雷射器出光口的距離為lm，分光鏡的鏡面與雷射束成45°角，使雷射束經過分光鏡後分成 互相垂直的兩束等質量的雷射；兩束雷射處於同一水平面，其中一束雷射被第一反射鏡接 收，另一束雷射被第三反射鏡接收。所述的第一反射鏡接收的雷射束反射給第二反射鏡；第二反射鏡接收的雷射束反 射後，通過位於真空室一側的凸透鏡發射至與之對應的平透鏡，並通過該平透鏡進入真空 室發射至熔區；第三反射鏡接收的雷射束反射後，通過位於真空室另一側的凸透鏡發射至 與之對應的平透鏡，並通過該平透鏡進入真空室發射至熔區；第二反射鏡和第三反射鏡反 射至熔區的雷射束之間的夾角為160°。所述的第一反射鏡位於真空室另一側，該第一反射鏡的中心與分光鏡中心的距離 為Im;第一反射鏡的鏡面與分光鏡的鏡面相互平行；第二反射鏡和第三反射鏡分別位於真 空室兩側，並分別與真空室與兩側殼體上的平透鏡對應；第二反射鏡的鏡面與第一反射鏡 的鏡面對應，並且第二反射鏡鏡面與所接收的雷射束成50°角；第三反射鏡鏡面與所接收 的雷射束成50°角。所述的分光鏡、平透鏡、凸透鏡和反射鏡均與熔區處於同一水平面。所選用的凸透 鏡6的焦距為200mm。通過凸透鏡平移裝置調整兩片凸透鏡鏡體的中心點到兩束雷射交點距離。本發明採用雙向等質量雷射束對預製體進行區熔，同時旋轉預製體，達到使預製 體固液界面前沿溫度場均勻平直的目的，克服了傳統方法中的造價高昂，結構複雜等問題， 並以較為簡便的方法很好的解決了問題。本裝置能夠對熔點高、不導電材料進行定向凝固 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方法。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，例如固體雷射器、非線性光學元件以及光學光譜的應用。

附圖1是雷射懸浮區熔定向凝固裝置的結構示意圖。附圖2是雷射懸浮區熔定向凝固裝置結構示意圖的A向試圖。1.雷射器2.分光鏡3.第一反射鏡4.第二反射鏡5.第三反射鏡6.凸 透鏡7.凸透鏡平移裝置8.平透鏡9.真空室10.抽拉旋轉系統11.電機組12.定 位螺栓13.預製體14.熔區
具體實施方式
實施例一本實施例是一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，包括雷射器1、分光鏡2、反 射鏡、兩片凸透鏡6、兩片平透鏡8及凸透鏡平移裝置7、真空室9、抽拉旋轉系統10和兩個 電機組11。本實施例中，平面反射鏡三片包括第一反射鏡3、第二反射鏡4和第三反射鏡5，並且分光鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4和第三反射鏡5依次分布在真空室9外周邊。 雷射器1位於真空室9 一側。兩個圓形的平透鏡8分別嵌裝在真空室9兩側殼體上；該平 透鏡8的中心軸線過抽拉旋轉系統10的軸線並垂直於抽拉旋轉系統10的軸線，使經過兩 片凸透鏡6聚焦後的兩束雷射通過兩片平透鏡8進入真空室9後落在抽拉旋轉系統10的 軸線上，實現對安裝在抽拉旋轉系統10上預製體13的熔融，進而在預製體13上形成熔區 14。本實施例中，第一反射鏡3接收的雷射束反射給第二反射鏡4 ；第二反射鏡4接收 的雷射束反射後，通過位於真空室9 一側的凸透鏡6反射至與之對應的平透鏡8，並通過該 平透鏡8進入真空室9反射至熔區14 ；第三反射鏡5接收的雷射束反射後，通過位於真空 室9另一側的凸透鏡6反射至與之對應的平透鏡8，並通過該平透鏡8進入真空室9反射至 熔區14。分光鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4和第三反射鏡5以及平透鏡8的平面垂直 於水平面。凸透鏡6的主光軸水平。分光鏡2的中心距離雷射器1出光口為lm，與雷射束成45°角，雷射器1產生的 雷射水平通過分光鏡2，分成互相垂直的兩束等質量的雷射，兩束雷射所處平面水平。第一 反射鏡3中心與分光鏡2中心距離lm，與經過分光鏡2透射的雷射夾角為45°。第二反射 鏡4中心位於由第一反射鏡3反射的光束中心，其中心與第一反射鏡3中心距離為lm，並 與雷射束成50°夾角。第三反射鏡5中心位於由分光鏡2反射的光束中心，其中心與分光 鏡2中心距離為lm，並與雷射束成50°夾角，最終經第二反射鏡4及第三反射鏡5反射後 的兩束雷射夾角為160°。兩片凸透鏡6鏡體的中心點分別經過第二反射鏡4第三反射鏡5反射的雷射束中 心，並且通過凸透鏡平移裝置7調整由兩片凸透鏡6鏡體的中心點到兩束雷射交點距離。所 選用的凸透鏡6的焦距為200mm。抽拉旋轉系統10包括上夾頭和下夾頭，抽拉旋轉系統10的軸線豎直，並且該抽拉 旋轉系統10的兩端分別與兩個電機組11固連，通過電機組11實現抽拉系統的旋轉及軸向 運動。抽拉旋轉系統10的上夾頭和下夾頭均為圓形杆件，並且該上夾頭和下夾頭外圓周的 一端均有凸出的臺階，使其外形呈「T」形；在上夾頭和下夾頭有凸出的臺階一端的端面中 心均有盲孔，該盲孔的內徑略大於預製體13的外徑。預製體13的兩端分別裝入位於抽拉系統10上夾頭和下夾頭一端端面中心的盲孔 內，並旋緊定位螺栓12將預製體緊固定位。預製體13與抽拉旋轉系統10同軸。
權利要求1.一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，包括雷射器(1)、真空室(9)、抽拉旋轉系 統(10)、電機組(11)和反射鏡，雷射器⑴位於真空室(9) 一側；其特徵在於，a.所述的用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置還包括分光鏡O)、平透鏡(8)、凸透鏡 (6)及凸透鏡平移裝置(7)；反射鏡包括第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)和第三反射鏡 (5)；分光鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)和第三反射鏡(5)依次分布在真空室(9) 外；平透鏡⑶有兩個，分別嵌裝在真空室(9)兩側殼體上，並與熔區(14)位置對應；b.分光鏡(2)位於真空室(9)一側、雷射器(1)的雷射出口處，並且該分光鏡的中心距 離雷射器出光口的距離為lm，分光鏡O)的鏡面與雷射束成45°角，使雷射束經過分光鏡 後分成互相垂直的兩束等質量的雷射；兩束雷射處於同一水平面，其中一束雷射被第一反 射鏡C3)接收，另一束雷射被第三反射鏡( 接收；c.第一反射鏡(3)接收的雷射束反射給第二反射鏡；第二反射鏡(4)接收的雷射 束反射後，通過位於真空室(9) 一側的凸透鏡(6)反射至與之對應的平透鏡(8)，並通過該 平透鏡⑶進入真空室(9)反射至熔區(14)；第三反射鏡(5)接收的雷射束反射後，通過 位於真空室(9)另一側的凸透鏡(6)反射至與之對應的平透鏡(8)，並通過該平透鏡(8)進 入真空室(9)反射至熔區(14)；第二反射鏡(4)和第三反射鏡(5)反射至熔區(14)的激 光束之間的夾角為160° ；d.第一反射鏡(3)位於真空室(9)另一側，該第一反射鏡(3)的中心與分光鏡O)中 心的距離為Im;第一反射鏡(3)的鏡面與分光鏡O)的鏡面相互平行；第二反射鏡(4)和 第三反射鏡(5)分別位於真空室(9)兩側，並分別與真空室(9)與兩側殼體上的平透鏡(8) 對應；第二反射鏡(4)的鏡面與第一反射鏡(3)的鏡面對應，並且第二反射鏡(4)鏡面與所 接收的雷射束成50°角；第三反射鏡(5)的鏡面與分光鏡O)的鏡面相互平行，並且第三 反射鏡( 鏡面與所接收的雷射束成50°角。
2.如權利要求1所述一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，其特徵在於，分光鏡(2) 平透鏡(8)、凸透鏡(6)和反射鏡均與熔區(14)處於同一水平面。
3.如權利要求1所述一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，其特徵在於，通過凸透 鏡平移裝置(7)調整兩片凸透鏡(6)鏡體的中心點到兩束雷射交點距離。
4.如權利要求1所述一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，其特徵在於，所選用的 凸透鏡(6)的焦距為200mm。
專利摘要一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置，裝置中的雷射器位於真空室一側，分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡依次分布在真空室外；兩個平透鏡分別嵌裝在真空室兩側殼體上，並與熔區位置對應。雷射束經過分光鏡後分成互相垂直的兩束等質量的雷射，其中一束雷射被第一反射鏡接收並反射給第二反射鏡，繼而通過凸透鏡發射至與之對應的平透鏡進入真空室反射至熔區；另一束雷射被第三反射鏡接收並通過另一側的凸透鏡發射給與之對應的平透鏡進入真空室反射至熔區。本實用新型採用雙向等質量雷射束對預製體進行區熔，同時旋轉預製體，達到使預製體固液界面前沿溫度場均勻平直的目的，所得到的氧化物共晶自生複合材料定向性好，並具有結構簡單、操作簡便的特點。
文檔編號B22D27/04GK201896205SQ20102059624
公開日2011年7月13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