專利名稱：一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工工程領(lǐng)域，具體是一種激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置及定向 凝固方法。
背景技術(shù)：
采取高能束進(jìn)行區(qū)熔定向凝固的各種技術(shù)由于具有熔煉溫度高、溫度梯度高、凝 固速率控制精度高、材料和環(huán)境適應(yīng)性廣泛、無污染等特點(diǎn)，現(xiàn)已受到國外眾多學(xué)者的高度 重視。區(qū)熔定向凝固過程中的固液界面前沿溫度場(chǎng)平直是獲得均勻組織的前提條件，否則 所得預(yù)制體的組織及力學(xué)性能在宏觀上就會(huì)出現(xiàn)大范圍不一致，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及材料 應(yīng)用造成極大障礙。例如在激光水平區(qū)熔試驗(yàn)中，等溫面形狀不是垂直于凝固方向的平面， 而是曲面，熔區(qū)溫度由熔區(qū)表面到底部逐漸降低。這就致使預(yù)制體從頂部到底部的凝固速 率不同，所得組織也不同，其力學(xué)性能也有長程變化，隨后的組織及性能分析就很難與凝固 條件相匹配。所以各國學(xué)者及工程技術(shù)人員都在尋找能夠使溫場(chǎng)均勻且平直的方法。目前國內(nèi)激光定向凝固裝置主要是激光水平區(qū)熔裝置，由激光器、鏡片組及數(shù)控 機(jī)床組成。由鏡片組將激光器發(fā)出的激光束引至水平放置的數(shù)控機(jī)床上方，對(duì)水平放置在 機(jī)床上的試樣進(jìn)行區(qū)熔定向凝固。此裝置無法保證等溫面平直?？梢姽鈶腋^(qū)熔法可熔化較大尺寸的預(yù)制體，由高功率(> 1KW)鹵素?zé)?如氙 燈)發(fā)出的光束經(jīng)鏡面反射后聚焦到試棒表面，試棒向下抽拉實(shí)現(xiàn)定向凝固，與此同時(shí)，試 棒還需旋轉(zhuǎn)以改善加熱的均勻性。為了提高激光加熱的效率并解決激光懸浮區(qū)熔功率密度 集中帶來的預(yù)制體應(yīng)力問題，將試棒在同一位置通過紅外預(yù)熱或可見光預(yù)熱，得到加熱后 的預(yù)制體。激光基座法定向凝固設(shè)備需要將兩束等功率激光由兩個(gè)側(cè)上方向聚焦于預(yù)制體 上表面，由于上下兩套抽拉裝置的速率不同，即生長纖維速率與進(jìn)料速率不同，從而生產(chǎn)纖 維。美國NASA格林實(shí)驗(yàn)室的Sayir等人利用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的凸輪狀反射鏡，實(shí)現(xiàn)了激 光束在預(yù)制體表面的高速循環(huán)掃描，從而保證溫度場(chǎng)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(chǎng)均勻，但均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià) 高昂的不足。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂的不足，本發(fā)明提出了一種用于激光懸浮 區(qū)熔定向凝固的裝置。本發(fā)明所述的用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置包括激光器、真空室、抽拉旋轉(zhuǎn) 系統(tǒng)、電機(jī)組和反射鏡，激光器位于真空室一側(cè)。所述的用于激光懸浮區(qū)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(gè)，分別嵌裝在真空室兩側(cè)殼體 上，并與熔區(qū)位置對(duì)應(yīng)。所述的分光鏡位于真空室一側(cè)、激光器的激光出口處，并且該分光鏡的中心距離 激光器出光口的距離為lm，分光鏡的鏡面與激光束成45°角，使激光束經(jīng)過分光鏡后分成 互相垂直的兩束等質(zhì)量的激光；兩束激光處于同一水平面，其中一束激光被第一反射鏡接 收，另一束激光被第三反射鏡接收。所述的第一反射鏡接收的激光束反射給第二反射鏡；第二反射鏡接收的激光束反 射后，通過位于真空室一側(cè)的凸透鏡發(fā)射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡，并通過該平透鏡進(jìn)入真空 室發(fā)射至熔區(qū)；第三反射鏡接收的激光束反射后，通過位于真空室另一側(cè)的凸透鏡發(fā)射至 與之對(duì)應(yīng)的平透鏡，并通過該平透鏡進(jìn)入真空室發(fā)射至熔區(qū)；第二反射鏡和第三反射鏡反 射至熔區(qū)的激光束之間的夾角為160°。所述的第一反射鏡位于真空室另一側(cè)，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于真 空室兩側(cè)，并分別與真空室與兩側(cè)殼體上的平透鏡對(duì)應(yīng)；第二反射鏡的鏡面與第一反射鏡 的鏡面對(duì)應(yīng)，并且第二反射鏡鏡面與所接收的激光束成50°角；第三反射鏡鏡面與所接收 的激光束成50°角。所述的分光鏡、平透鏡、凸透鏡和反射鏡均與熔區(qū)處于同一水平面。所選用的凸透 鏡6的焦距為200mm。通過凸透鏡平移裝置調(diào)整兩片凸透鏡鏡體的中心點(diǎn)到兩束激光交點(diǎn)距離。本發(fā)明采用雙向等質(zhì)量激光束對(duì)預(yù)制體進(jìn)行區(qū)熔，同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)制體，達(dá)到使預(yù)制 體固液界面前沿溫度場(chǎng)均勻平直的目的，克服了傳統(tǒng)方法中的造價(jià)高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題， 并以較為簡(jiǎn)便的方法很好的解決了問題。本裝置能夠?qū)θ埸c(diǎn)高、不導(dǎo)電材料進(jìn)行定向凝固 組織演化研究，所得到的氧化物共晶自生復(fù)合材料組織均勻且細(xì)小致密，定向性好，其力學(xué) 性能及其它功能都明顯好于其他定向凝固方法。其生產(chǎn)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(xué)元件以及光學(xué)光譜的應(yīng)用。

附圖1是激光懸浮區(qū)熔定向凝固裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是激光懸浮區(qū)熔定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖的A向試圖。1.激光器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(zhuǎn)系統(tǒng)11.電機(jī)組12.定 位螺栓13.預(yù)制體14.熔區(qū)
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一本實(shí)施例是一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，包括激光器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(zhuǎn)系統(tǒng)10和兩個(gè) 電機(jī)組11。本實(shí)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，并且分光鏡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位于真空室9 一側(cè)。兩個(gè)圓形的平透鏡8分別嵌裝在真空室9兩側(cè)殼體上；該平 透鏡8的中心軸線過抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的軸線并垂直于抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的軸線，使經(jīng)過兩 片凸透鏡6聚焦后的兩束激光通過兩片平透鏡8進(jìn)入真空室9后落在抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的 軸線上，實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10上預(yù)制體13的熔融，進(jìn)而在預(yù)制體13上形成熔區(qū) 14。本實(shí)施例中，第一反射鏡3接收的激光束反射給第二反射鏡4 ；第二反射鏡4接收 的激光束反射后，通過位于真空室9 一側(cè)的凸透鏡6反射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡8，并通過該 平透鏡8進(jìn)入真空室9反射至熔區(qū)14 ；第三反射鏡5接收的激光束反射后，通過位于真空 室9另一側(cè)的凸透鏡6反射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡8，并通過該平透鏡8進(jìn)入真空室9反射至 熔區(qū)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 于水平面。凸透鏡6的主光軸水平。分光鏡2的中心距離激光器1出光口為lm，與激光束成45°角，激光器1產(chǎn)生的 激光水平通過分光鏡2，分成互相垂直的兩束等質(zhì)量的激光，兩束激光所處平面水平。第一 反射鏡3中心與分光鏡2中心距離lm，與經(jīng)過分光鏡2透射的激光夾角為45°。第二反射 鏡4中心位于由第一反射鏡3反射的光束中心，其中心與第一反射鏡3中心距離為lm，并 與激光束成50°夾角。第三反射鏡5中心位于由分光鏡2反射的光束中心，其中心與分光 鏡2中心距離為lm，并與激光束成50°夾角，最終經(jīng)第二反射鏡4及第三反射鏡5反射后 的兩束激光夾角為160°。兩片凸透鏡6鏡體的中心點(diǎn)分別經(jīng)過第二反射鏡4第三反射鏡5反射的激光束中 心，并且通過凸透鏡平移裝置7調(diào)整由兩片凸透鏡6鏡體的中心點(diǎn)到兩束激光交點(diǎn)距離。所 選用的凸透鏡6的焦距為200mm。抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10包括上夾頭和下夾頭，抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的軸線豎直，并且該抽拉 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的兩端分別與兩個(gè)電機(jī)組11固連，通過電機(jī)組11實(shí)現(xiàn)抽拉系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)及軸向 運(yùn)動(dòng)。抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10的上夾頭和下夾頭均為圓形桿件，并且該上夾頭和下夾頭外圓周的 一端均有凸出的臺(tái)階，使其外形呈“T”形；在上夾頭和下夾頭有凸出的臺(tái)階一端的端面中 心均有盲孔，該盲孔的內(nèi)徑略大于預(yù)制體13的外徑。預(yù)制體13的兩端分別裝入位于抽拉系統(tǒng)10上夾頭和下夾頭一端端面中心的盲孔 內(nèi)，并旋緊定位螺栓12將預(yù)制體緊固定位。預(yù)制體13與抽拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)10同軸。
權(quán)利要求1.一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，包括激光器(1)、真空室(9)、抽拉旋轉(zhuǎn)系 統(tǒng)(10)、電機(jī)組(11)和反射鏡，激光器⑴位于真空室(9) 一側(cè)；其特征在于，a.所述的用于激光懸浮區(qū)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(gè)，分別嵌裝在真空室(9)兩側(cè)殼體上，并與熔區(qū)(14)位置對(duì)應(yīng)；b.分光鏡(2)位于真空室(9)一側(cè)、激光器(1)的激光出口處，并且該分光鏡的中心距 離激光器出光口的距離為lm，分光鏡O)的鏡面與激光束成45°角，使激光束經(jīng)過分光鏡 后分成互相垂直的兩束等質(zhì)量的激光；兩束激光處于同一水平面，其中一束激光被第一反 射鏡C3)接收，另一束激光被第三反射鏡( 接收；c.第一反射鏡(3)接收的激光束反射給第二反射鏡；第二反射鏡(4)接收的激光 束反射后，通過位于真空室(9) 一側(cè)的凸透鏡(6)反射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡(8)，并通過該 平透鏡⑶進(jìn)入真空室(9)反射至熔區(qū)(14)；第三反射鏡(5)接收的激光束反射后，通過 位于真空室(9)另一側(cè)的凸透鏡(6)反射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡(8)，并通過該平透鏡(8)進(jìn) 入真空室(9)反射至熔區(qū)(14)；第二反射鏡(4)和第三反射鏡(5)反射至熔區(qū)(14)的激 光束之間的夾角為160° ；d.第一反射鏡(3)位于真空室(9)另一側(cè)，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)分別位于真空室(9)兩側(cè)，并分別與真空室(9)與兩側(cè)殼體上的平透鏡(8) 對(duì)應(yīng)；第二反射鏡(4)的鏡面與第一反射鏡(3)的鏡面對(duì)應(yīng)，并且第二反射鏡(4)鏡面與所 接收的激光束成50°角；第三反射鏡(5)的鏡面與分光鏡O)的鏡面相互平行，并且第三 反射鏡( 鏡面與所接收的激光束成50°角。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，其特征在于，分光鏡(2) 平透鏡(8)、凸透鏡(6)和反射鏡均與熔區(qū)(14)處于同一水平面。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，其特征在于，通過凸透 鏡平移裝置(7)調(diào)整兩片凸透鏡(6)鏡體的中心點(diǎn)到兩束激光交點(diǎn)距離。
4.如權(quán)利要求1所述一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，其特征在于，所選用的 凸透鏡(6)的焦距為200mm。
專利摘要一種用于激光懸浮區(qū)熔定向凝固的裝置，裝置中的激光器位于真空室一側(cè)，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(gè)平透鏡分別嵌裝在真空室兩側(cè)殼體上，并與熔區(qū)位置對(duì)應(yīng)。激光束經(jīng)過分光鏡后分成互相垂直的兩束等質(zhì)量的激光，其中一束激光被第一反射鏡接收并反射給第二反射鏡，繼而通過凸透鏡發(fā)射至與之對(duì)應(yīng)的平透鏡進(jìn)入真空室反射至熔區(qū)；另一束激光被第三反射鏡接收并通過另一側(cè)的凸透鏡發(fā)射給與之對(duì)應(yīng)的平透鏡進(jìn)入真空室反射至熔區(qū)。本實(shí)用新型采用雙向等質(zhì)量激光束對(duì)預(yù)制體進(jìn)行區(qū)熔，同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)制體，達(dá)到使預(yù)制體固液界面前沿溫度場(chǎng)均勻平直的目的，所得到的氧化物共晶自生復(fù)合材料定向性好，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22D27/04GK201896205SQ20102059624
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者傅恒志, 劉林, 宋衎, 張軍, 蘇海軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)