一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置及定向凝固方法

2023-11-30 22:40:31 1

專利名稱：一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置及定向凝固方法
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方法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。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 制體應力問題，可將試棒在同一位置進行紅外預熱或可見光預熱。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。以上方法以不同的方式保證固液界面前沿溫度場均勻，但結構複雜，造價高昂。

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及定向凝固方法。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，抽拉旋轉系統的兩端分別與兩個電機組固 連。本發明的特徵在於，所述的用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置還包括一個分光鏡、兩個平透鏡、兩個 凸透鏡及凸透鏡平移裝置；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；兩個圓形的平透鏡分別嵌裝在 真空室兩側殼體上；該平透鏡的中心軸線過抽拉旋轉系統的軸線並垂直於抽拉旋轉系統的 軸線，使經過兩片凸透鏡聚焦後的兩束雷射通過兩片平透鏡進入真空室後落在抽拉旋轉系統的軸線上，實現對安裝在抽拉旋轉系統上預製體的區熔，進而在預製體上形成熔區。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；兩束雷射同處於水平面，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 室發射至預製體；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預製體；第二反射鏡和第三反射 鏡反射至預製體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。所述的兩片凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡第三反射鏡反射的雷射束的交點 之間的距離為270 310mm。所述的分光鏡、平透鏡、反射鏡和凸透鏡的中心均處於同一水平面，並且分光鏡、 平透鏡、反射鏡的鏡面均與水平面垂直，凸透鏡的主光軸水平。所選用的凸透鏡的焦距為 200mm。本發明還提出了一種利用雷射懸浮區熔定向凝固裝置進行定向凝固的方法，包括 以下步驟第一步，製作預製體；通過混料、研磨、壓制、燒結和成形，獲得預製體，或通過切割 從母材取得試棒，並去除表面氧化皮和雜質後，獲得預製體；當用粉體製作預製體時，對粉 體加壓15 25MPa並保壓5 10分鐘，燒結溫度為1200 1600°C，燒結時間為2 IOh ；第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端分別裝夾在抽拉旋轉系統的上 夾頭和下夾頭上，使凸透鏡鏡體中心與兩束雷射交點之間距離為270 310mm，使雷射在預 制體表面形成直徑為3 4mm的光斑；打開雷射器並移動同步夾頭，使雷射器產生的波長 為630nm的紅色雷射束交點落在預製體底部，繼而開啟10. 6 μ m波長的雷射束，使雷射束交 點落在預製體底部；使雷射功率設定至或以50W/min的速率逐步升高至定向凝固時所需的 雷射功率；啟動抽拉旋轉系統中的旋轉機構，使其上夾頭與下夾頭同向或反向旋轉，轉速為 1 150Rpm ；啟動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，預製體按1 300 μ m/s速率從上至下移動， 實現定向凝固。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。如圖3所示為本發明所獲得的凝固速率為 ΙΟΟμπι/s時Α1203/Υ203/&02摩爾百分比為64. 6 15. 3 20. 1三元過共晶固液界面組織 圖片，可看出界面在直徑範圍內比較平整，相對於圖4中所示的雷射水平區熔等溫線來看 有明顯改善。本發明能夠對熔點高、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。雷射功率在玻璃製造過程中是十分關鍵的參數，雷射功率太高或太低都會造成玻 璃體混濁，對於03的預製體來說大約20W的加工功率就可以得到優良的玻璃。這種氧化鈣 玻璃與傳統二氧化矽玻璃的主要區別在於氧化鈣玻璃有更高的折射率(1.6 以及高的玻 璃轉化溫度(800°C )，相對來說普通氧化矽玻璃只有G00-500°C )，這就為這種玻璃的光學 特性開闢了新的研究領域。本發明用於難熔合金的雷射懸浮區熔定向凝固，得到的預製體由Nb3Si和Nbss組 成的共晶組織平行耦合生長，獲得的共晶組織更細，降低了塊狀矽化物的尺寸，避免了不希 望有的大塊矽化物出現，使得組織趨於規則、分布更均勻，組織的定向性增強。


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向視圖。附圖3是本發明所獲得的凝固速率為10 μ m/s時A1203/YAG共晶固液界面組織圖 片。附圖4是雷射水平區熔組織圖片及等溫面示意圖。附圖5是本發明獲得的凝固速率為100 μ m/s時Α1203Λ203/Ζι 2摩爾百分比為 64.6 15.3 20. 1三元過共晶熔體生長陶瓷宏觀照片。其中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.凸遍竟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a.凝固方向 b.雷射掃描方向C.凝固方向 d.等溫線e. 2秒鐘之後的等溫線
具體實施例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。激 光器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發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發射至熔區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發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5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，平透鏡8的平面垂直於水 平面。凸透鏡6的主光軸水平，凸透鏡焦距為200mm。分光鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡 4和第三反射鏡5、凸透鏡6及平透鏡8的中心與雷射器1產生的雷射束中心處於同一水平分光鏡2的中心距離雷射器出光口為lm，與雷射束成45°角，雷射器1產生的激 光水平通過分光鏡2後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與第三反射鏡5反射的雷射束 中心，由兩片凸透鏡6鏡體的中心點到兩束雷射交點距離通過凸透鏡平移裝置7能夠調整， 本實施例中，所述的凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡4和第三反射鏡5反射的雷射束的 交點之間的距離為270 310mm。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，並通過電機組11實現抽拉旋轉系統的旋轉 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旋轉系統10上夾頭和下夾頭一端端面中心的 盲孔內，並通過定位螺栓12將預製體緊固定位。預製體13與抽拉旋轉系統10同軸。實施例二本實施例是一種用於A1203/YAG氧化物共晶的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其 具體過程包括以下步驟第一步，製作預製體；將Al2O3及^O3兩種純度為4N的粉體按照A1203/YAG共晶成 分混合併放入研缽中，加入10%的PVA粘結劑，通過常規方法將粉體混合併研磨至無團聚 硬塊；將10克混好的粉體放入內腔尺寸為68X10mm的模具中，合模加壓25MPa，保壓5分 鍾，將粉體壓製成68 X 10 X 5mm的板塊，形成預製體的坯料；在大氣下對壓好的預製體的坯 料進行燒結，以增加預製體的強度，所需的燒結溫度與燒結時間依不同材料確定，本實施例 中，燒結溫度為1400°C，保溫燒結2小時；隨爐冷卻。用金剛石切割片將燒結好的預製體坯 料切成68mmX4mmX4mm的條狀。用砂紙將其稜角磨掉，形成近圓形棒，得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為310mm，在預製體表面形成直徑為4mm的光斑；打開雷射器並 移動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預 制體底部，繼而開啟10. 6μπι波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；為防止預製體6驟熱炸裂，使雷射功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固時所需的功率， 本實施例中，雷射功率逐步升高至200W，此時預製體被雷射區熔；開啟抽拉旋轉系統中的 旋轉機構，該旋轉機構轉速為50Rpm;開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體按IOym/ s速率從上至下移動，實現氧化物共晶的定向凝固。實施例三本實施例是一種用於氧化物三元過共晶的雷射懸浮區熔定向凝固的方法。本實施 例的具體實施過程包括以下步驟，第一步，製作預製體；將A1203、Y2O3及^O2三種純度為4Ν的粉體按照摩爾百分比 64.6 15.3 20. 1混合併放入研缽中，加入10%的PVA粘結劑，通過常規方法將粉體混 合併研磨至無團聚硬塊；將10克混好的粉體放入內腔尺寸為68 X IOmm的模具中，合模加壓 20MPa,保壓7分鐘，將粉體壓製成68 X 10 X 5mm的板塊，形成預製體的坯料；在大氣下對壓 好的預製體的坯料進行燒結，以增加預製體的強度，所需的燒結溫度與燒結時間依不同材 料確定，本實施例中，燒結溫度為160(TC，保溫燒結2小時；隨爐冷卻。用金剛石切割片將 燒結好的預製體坯料切成68mmX4mmX4mm的條狀。用砂紙將其稜角磨掉，形成近圓形棒， 得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為310mm，在預製體表面形成直徑為4mm的光斑；打開雷射器並 移動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預 制體底部，繼而開啟10. 6μπι波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；為防止預製體 驟熱炸裂，使雷射功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物三元過共晶定向凝固時所需的 功率，本實施例中，雷射功率逐步升高至200W，此時預製體被雷射區熔，開啟抽拉旋轉系統 中的旋轉機構，該旋轉機構轉速為IOORpm ；開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體按 100 μ m/s速率從上至下移動，實現氧化物三元過共晶的定向凝固。實施例四本實施例是一種用於難熔合金的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其具體過程包括 以下步驟第一步，製作預製體；採用電弧熔煉方法製備Nb-17. 5Si母合金錠，用線切割從母 合金錠上取04X IOOmm的試棒，打磨試棒表面和端面，然後用酒精清洗，去除表面氧化皮和 雜質，得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為^Omm,以在預製體表面形成直徑為3. 5mm的光斑。打開雷射 器並移動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落 在預製體底部，繼而開啟10. 6 μ m波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；使雷射功 率以50W/min的速率逐步升高至難熔合金定向凝固時所需的功率，本實施例中，雷射功率 逐步升高至1400W。當預製體區熔後，開啟抽拉旋轉系統中的旋轉機構使其反向旋轉，該旋轉機構轉速為50Rpm ；開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體以300 μ m/s的速度從上 至下抽拉，實現難熔合金的定向凝固。實施例五本實施例是一種氧化鈣玻璃體的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其具體過程包括 以下步驟第一步，製作預製體；將CaSi03*Ca3(P04)2兩種粉體按照摩爾百分比80 20混 合，並放入研缽中，加入少量水使粉體潮溼並攪拌均勻。通過常規方法將粉體研磨至沒有團 聚硬塊為止。將5g混好的粉體放入等靜壓模具中，在15MPa下保壓10分鐘壓製成03 X 70 的棒狀。在大氣下對壓好的預製體的坯料進行燒結，以增加預製體的強度，所需的燒結溫 度與燒結時間依不同材料確定，本實施例中，燒結溫度為1200°C，燒結時間10小時；隨爐冷 卻。得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為270mm，在預製體表面形成直徑為3mm光斑。打開雷射器並移 動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預製 體底部，繼而開啟10. 6 μ m波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；調整雷射器的輸 出功率為氧化鈣玻璃體定向凝固時所需的功率，本實施例中，雷射功率為20W。當預製體區 熔後，開啟抽拉旋轉系統中的旋轉機構，並調整該旋轉機構轉速為50Rpm ；開啟抽拉旋轉系 統中的抽拉機構，使預製體以50ym/s的速度從上至下抽拉，實現氧化鈣玻璃體的定向凝 固。實施例六本實施例是一種鎳基高溫合金的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其具體過程包括 以下步驟第一步，製作預製體；利用線切割將鎳基單晶高溫合金錠切成規格為04X IOOmm 的試棒，打磨試棒表面和端面，並用酒精清洗，去除表面氧化皮和雜質，得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為310mm，在預製體表面形成直徑為4mm的光斑。移動抽拉旋 轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預製體底部， 繼而開啟10. 6 μ m波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部。使雷射功率以50W/min 的速率逐步升高至鎳基高溫合金定向凝固時所需的功率，本實施例中，雷射功率逐步升高 至1400W，此時預製體被雷射區熔。當預製體區熔後，開啟抽拉旋轉系統中的旋轉機構使其 反向旋轉，該旋轉機構轉速為IRpm ；開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體按150μπι/ s速率從上至下移動，實現鎳基高溫合金的定向凝固。實施例七本實施例是一種半導體材料的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其具體過程包括以 下步驟
第一步，製作預製體；將多晶的純度為5N的^1 原料用線切割將料錠切成03X 70 的棒料，打磨試棒表面和端面，並用酒精清洗，去除表面氧化皮和雜質，完成預製體的製作。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為270mm，在預製體表面形成直徑為3mm的光斑。打開雷射器並 移動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預 制體底部，繼而開啟10. 6μπι波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；使雷射功率以 50W/min的速率逐步升高至半導體材料定向凝固時所需的功率，本實施例中，雷射功率逐步 升高至800W。當預製體區熔後，開啟抽拉旋轉系統中的旋轉機構使其反向旋轉，該旋轉機構 轉速為50Rpm ；開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體以1 μ m/s的速度向下抽拉，實現 半導體材料的定向凝固，獲得了成分均勻的單晶半導體材料。實施例八本實施例是一種用於A1203/YAG氧化物共晶的雷射懸浮區熔定向凝固的方法，其 具體過程包括以下步驟第一步，製作預製體；將Al2O3及^O3兩種純度為4N的粉體按照A1203/YAG共晶成 分混合併放入研缽中，加入10%的PVA粘結劑，通過常規方法將粉體混合併研磨至無團聚 硬塊；將10克混好的粉體放入內腔尺寸為68X10mm的模具中，合模加壓30MPa，保壓7分 鍾，將粉體壓製成68 X 10 X 5mm的板塊，形成預製體的坯料；在大氣下對壓好的預製體的坯 料進行燒結，以增加預製體的強度，所需的燒結溫度與燒結時間依不同材料確定，本實施例 中，燒結溫度為1400°C，保溫燒結2小時；隨爐冷卻。用金剛石切割片將燒結好的預製體坯 料切成68mmX4mmX4mm的條狀。用砂紙將其稜角磨掉，形成近圓形棒，得到預製體。第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端裝夾在抽拉旋轉系統的上夾頭 和下夾頭上；關閉真空室門並抽真空至10_4Pa，隨後充入高純氬氣做保護氣體。通過調整凸 透鏡平移裝置調整凸透鏡的位置，使凸透鏡鏡體中心點至由第二反射鏡、第三反射鏡反射 的雷射束的交點之間的距離為310mm，在預製體表面形成直徑為4mm的光斑；打開雷射器並 移動抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使雷射器產生的波長為630nm的紅色雷射束交點落在預 制體底部，繼而開啟10. 6μπι波長的雷射束，使雷射束交點落在預製體底部；使雷射功率以 50W/min的速率逐步升高至半導體材料定向凝固時所需的功率，本實施例中，雷射功率逐步 升高至200W，此時預製體被雷射區熔；開啟抽拉旋轉系統中的旋轉機構，該旋轉機構轉速 為150Rpm ；開啟抽拉旋轉系統中的抽拉機構，使預製體按220 μ m/s速率從上至下移動，實 現氧化物共晶的定向凝固。
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；抽拉旋轉系統(10)的兩 端分別與兩個電機組(11)固連；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)發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)發射至熔區(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)發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)發射至熔區(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( 鏡面與所接收的雷射束成50°角；e.兩片凸透鏡(6)鏡體中心點至由第二反射鏡(4)第三反射鏡(5)反射的雷射束的交 點之間的距離為270 310mm。
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 O)、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，所選用的 凸透鏡6的焦距為200讓。
4.一種利用權利要求1所述雷射懸浮區熔定向凝固裝置進行定向凝固的方法，其特徵 在於，所述的定向凝固方法包括以下步驟第一步，製作預製體；通過混料、研磨、壓制、燒結和成形，獲得預製體，或從母材取得試 棒，並去除表面氧化皮和雜質後，獲得預製體；第二步，對預製體進行定向凝固；將預製體的兩端分別裝夾在抽拉系統的上夾頭和下 夾頭上，使凸透鏡鏡體中心與兩束雷射交點之間距離為270 310mm，使雷射在預製體表面 形成直徑為3 4mm的光斑；設定雷射功率為20W，或使雷射功率以50W/min的速率逐步升 高至200 1400W ；啟動試樣旋轉系統，轉速為1 150Rpm ；啟動抽拉機構，使預製體按1 300 μ m/s速率從上至下移動，實現定向凝固。
全文摘要
一種用於雷射懸浮區熔定向凝固的裝置及定向凝固方法。所述的雷射懸浮區熔定向凝固裝置的雷射器位於真空室一側；分光鏡和三個反射鏡依次分布在真空室外；兩個圓形的平透鏡分別嵌裝在真空室兩側殼體上；該平透鏡的中心軸線過抽拉旋轉系統的軸線並垂直於抽拉旋轉系統的軸線，使經過各反射鏡發射至兩片凸透鏡的兩束雷射通過平透鏡後進入真空室後落在抽拉旋轉系統的軸線上，實現對預製體的區熔，並通過控制雷射的功率及抽拉旋轉系統的轉速和抽拉速率實現定向凝固。本發明用於難熔合金的雷射懸浮區熔定向凝固，獲得的共晶組織更細，降低了塊狀矽化物的尺寸，使得組織趨於規則、分布更均勻，組織的定向性增強。
文檔編號C30B28/06GK102051669SQ20101053549
公開日2011年5月11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